Комірки Бенара

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Центральноукраїнський національний технічний університет

Комірки Бенара

М.І. Мосольд, студент. гр.КІ-17

Комірки Бенара (Релея - Бенара) - це явище, при якому виникають впорядкованості у вигляді конвективних осередків у формі циліндричних валів або правильних шестигранних структур в шарі в'язкої рідини з вертикальним градієнтом температури, тобто рівномірно підігріваємою знизу.

Комірки названі на честь французького фізика Анрі Бенара, який написав свою докторську дисертацію на тему: "Гексагональні вихори в горизонтальному рідкому шарі", та який провів перші досліди на цю тему в 1900 році.

Бенар спостерігав виникнення регулярних просторово періодичних осередків в однорідно підігріваємому шарі спермацету - рідини, що заповнює головні порожнини кашалота. Правильні шестикутні осередки заповнюють всю поверхню підігріваємого шару рідини. Цей експеримент вражає уяву будь-якого дослідника тим, що з випадкових початкових збуджень формується регулярна структура в протяжній системі.

У тонкому шарі при підігріві знизу утворюються комірки правильної гексагональної форми, усередині яких рідина піднімається в центрі й опускається гранями комірки. Така постановка експерименту історично була першою, однак тут насправді спостерігається конвекція Марангоні (капілярна конвенція), що виникає за рахунок дії сил поверхневого натягу і залежності від температури рідини.

Рисунок 1 - рух рідини в комірках

У 1970-х роках комірки Бенара почав популяризувати бельгійський хімік Ілля Пригожин, який використовував їх як приклад "дисипативних структур" [3] (дисипативна структура - це стійкий стан, що виникає в неврівноваженому середовищі за умови розсіювання енергії, яка надходить ззовні.). У читальних звітах про формування структури Бенарда з посиланням на еволюцію, за логікою Пригожина часто зустрічаються описи молекулярної поведінки в області теплового потоку.

Керуючим параметром самоорганізації служить градієнт температури. Внаслідок підігріву спочатку в однорідному шарі рідини починається дифузія, через що виникають неоднорідні щільності. При подоланні деякого критичного значення градієнту, дифузія не встигає привести до однорідного розподілу температури в об'ємі рідини. Виникають циліндричні вали, що обертаються назустріч один одному (як зчеплені шестерні). При збільшенні градієнту температури виникає другий критичний перехід. Для прискорення дифузії кожен вал розпадається на два вали меншого розміру. При подальшому збільшенні керуючого параметра вали дробляться і виникає турбулентний хаос.

Рисунок 2 - комірки Бенара під мікроскопом

впорядкованість конвективний осередок шестигранний вал

Бенар розрахував просторовий період найбільш нестійких збуджень, який виявився близький до періоду структури, що спостерігалася в експериментах. Як з'ясувалося згодом, цей збіг виявився в певній мірі випадковим, а за нестійкість в дослідах Бенара були спричинені не силою плавучості, а силою поверхневого натягу.

При нагріванні рідини знизу, температура на верхньому шарі має неоднорідності. З підвищенням температури поверхневий натяг зменшується. Таким чином, бічний потік рідини буде напрямлений з теплих в більш холодні області. Для того, щоб зберегти горизонтальну (або майже горизонтальну) поверхню рідини, більш холодна поверхнева рідина буде опускатися. Це зниження рівня охолоджуючої рідини сприяє рушійній силі конвекційних згустків. [5]

Комірки Бенара спостерігаються в природі, конвективні осередки виявлені на Сонці, в мантії Землі, в атмосфері і океані, і виникають в різних технологічних процесах.

Рисунок 3 - приклад явища комірок Бенара в природі

Рисунок 4 - приклад явища комірок Бенара в природі

Для конвективних структур співвідношення між термокапіллярними і термогравітаційними силами може змінюватися в дуже широких межах. Наприклад, в разі конвекції в океані, коли характерний масштаб руху становить метри або десятки метрів, капілярними ефектами можна знехтувати. В деяких випадках можна свідомо знехтувати впливом сили тяжіння. Так, останнім часом, вирощування кристалів з розплаву передбачалося проводити в умовах невагомості, на космічних апаратах, які перебувають на навколоземній орбіті. У цих умовах сила тяжіння відсутня і конвекція визначається виключно поверхневим натягом.

Список літератури

1. Гершуні Г.З., Жуховицький Е.М. Конвективна стійкість нестискуваної рідини. М.:. Наука, 1972. 392с

2. Ландау Л.Д., Ліфшіп Е.М. Теоретична фізика, том. 5 Гідродинаміка. М.: Наука, 1986. 736 с.

Размещено на allbest.ru