Анализ состояния систем и основные причины отказов, аварий и катастроф

 

Принятые сокращения

- классическая механика;

CM - механика сплошной среды;

ДФА - детерминированный факторный анализ;

ИСО - инерционная система отсчета;

ТД - термодинамика;

СС - степень свободы;

ЭД - энергодинамика;

НДС - напряженно-деформированное состояние;

НС - неравновесная система

IS - изолированная система.

Не обменивается со средой ни энергией, ни веществом, ни информацией. Действие среды заменяется дискретными значениями в заданный момент времени. Состояния IS равновесные глобальные.

CS - закрытая система.

Обменивается со средой только энергией. Состояние системы не вызывает ответных действий среды. Модель системы - детерминированная (функциональные). Состояния CS - локальные равновесные обратимые во времени.

OS - открытая система.

Обменивается со средой энергией, веществом и информацией. Модель системы стохастическая (корреляционная). Состояние системы неравновесное и необратимое во времени.

Введение

Анализ состояния систем и основные причины отказов, аварий и катастроф.

Рассматривается структура в составе:

надсистема,- ансамбль систем, связанных общим функциональным назначением.

Введение термина надсистема связано с подводом к системе электрической и тепловой энергий от внешних независимых источников (магистралей). Внешние источники форм энергии предназначены для обеспечения видами форм энергии функционального назначения систем. Энергия внешних источников связана с выполнением и поддержанием заданных температурно-влажностных условий, освещением и обеспечением работы инженерного оборудования. Система (ансамбль) систем, помимо требований по объемам форм энергий, не оказывает влияние на источники энергии. Энергия, получаемая от источников, расходуется на выполнение полезной работы системы, на тепловые процессы, процессы тепломассообмена, химические и диссипативные процессы;

система (целое, составленное из частей, соединение),- множество структур, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство. В состав системы входят объекты (тела) и среды, контактирующие с объектами;

подсистема, - часть системы, выделенная по определенному признаку, которая может изучаться самостоятельно и сама обладает системными свойствами.

В состав каждой подсистемы включается подсистема окружение, представляющая внешнее окружение подсистемы, влияющее на ее состояние.

объект (предмет, тело искусственного происхождения), - то, на что направлена та или иная деятельность и создано деятельностью;

среда, - вещество или вещества, заполняющее пространство и обладающее определенными свойствами;

элемент, - часть объекта, обладающая определенными свойствами;

воздействие (фактор) - передача вещества, энергии, информации или комбинаций компонентов в структуре надсистемы;

нагрузка (фактор) - способ или предмет передачи энергии.

1. Анализ требований стандартов и нормативных документов

В стандартах и нормативных документах [1÷3] рассматриваются нагрузки и воздействия окружающей среды, приводятся данные по видам нагрузок, классификации нагрузок и сочетания нагрузок.

Определение нагрузок и их сочетаний составлено с использованием положений детерминированного факторного анализа (ДФА) в виде:

величин дискретного изменения факторов по климатическим зонам и влияние изменений факторов на изменение результата показателя (нормативные значения);

влияния абсолютного изменения фактора на абсолютное изменение результатов показателя (расчетные значения и коэффициенты надежности);

отношений величины изменения результативного показателя, вызванного изменением фактора, к базовой величине результативного показателя (сочетания);

- определения доли абсолютного изменения результативного показателя, вызванного изменением фактора в общем изменении результативного показателя (надежность, эффективность).

Факторы нагрузок и воздействий задаются дискретными значениями на основе модельных видов нагрузок по теоретическим упрощенным поверхностям тел. Факторы нагрузок и воздействий задаются в стационарном состоянии без учета изменения, влияния среды и времени.

Нормативные значения нагрузок определяются в зависимости от вида нагрузки:

для нагрузок от собственного веса - по проектным значениям геометрических и конструктивных параметров и по средним значениям плотности;

для атмосферных нагрузок (ветровой, снеговой, температурной, гололедной, волновой, ледовой и т.д.) по наибольшим значениям, включая динамические явления и динамические характеристики;

для технологических нагрузок (массовые, температурные, колебательные) по наибольшим значениям с учетом неравномерности нагружения пространственной структуры объекта;

для сейсмических, ударных и взрывных нагрузок и нагрузок, вызванных нарушениями технологического процесса по максимальным амплитудам в пределах упругой работы элементов и объекта в целом.

Факторы характеристики материалов определяются экспериментальными исследованиями или, для наиболее часто используемых материалов, по данным каталогов (сортаментов). Свойства материалов на циклические виды воздействий считаются постоянными, обратимыми во времени.

Факторы надежности [4÷7] определяются предельными состояниями элементов и объекта в целом с учетом особых воздействий в течение срока службы. Предельные состояния определяются для систем в состоянии равновесия, когда выполняются экстремальные принципы, предсказывающие состояния, к которым может перейти система.

Экспериментально- теоретические исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов и объекта в целом, проведенные с использованием различных теорий [8,9] показали:

методы, основанные на постулатах классической физики (механики), включая методы теории сооружений, теории оболочек и пластин, и методы теории упругости не дают точного характера изменений НДС. Методы могут использоваться в качестве нулевого или первого приближения для расчета объектов с использованием макроскопических переменных, дискретного состояния сред;

наиболее полную картину НДС обеспечивают методы теории открытых систем.

Мощности подсистем (оборудования инженерного и эксплуатационного обеспечения) энергопотребления, выполняемые с использованием постулатов и положений теплотехники (термостатики), считаются постоянными для периода функционирования системы, а процессы взаимодействия подсистем и систем считаются обратимыми во времени [10].

Таким образом, требованиям факторного анализа удовлетворяют консервативные или закрытые системы. В большинстве случаев для упрощения процесса взаимодействия подсистем и систем принято считать, что среды рассматриваются в виде материальных воздействий на системы и структура и свойства сред не меняются при взаимодействии. Это позволяет рассматривать системы изолированного или закрытого типа для каждого из факторов нагрузок и воздействий.

2. Анализ существующих методов подхода к рассмотрению сложных систем

Существующие методы расчета сложных надсистем предполагают:

надсистемы гомогенные (ансамбль однородных систем, химический состав и физические свойства которых во всех частях одинаковы или меняются непрерывно или неоднородная система без поверхностей раздела между частями).

Реальные рассматриваемые надсистемы - гетерогенные для каждой системы в составе надсистемы (ансамбль неоднородных, связанных друг с другом систем с поверхностями раздела между частями);

надсистемы консервативные.

В каждой из систем ансамбля работа неконсервативных сил равна нулю и для составляющих ансамбль систем имеют место закон сохранения механической энергии. Консервативные системы в ансамбле рассматриваются в состоянии ТД равновесия.

Реальные рассматриваемые системы в составе надсистем неконсервативные (в системе действуют диссипативные силы и процессы, взаимодействие между подсистемами и телами в системе зависит от формы траектории и скорости). Примерами неконсервативных сил являются сила трения, сила сопротивления среды и т.д. Неконсервативные системы рассматриваются в неравновесном ТД состоянии. В случае неконсервативной системы часть энергии расходуется при деформации на нагревание тела, превращаясь в кинетическую энергию теплового (беспорядоченного) движения частиц тела.

Макросистемы - системы, в которых хаотическое поведение на микроуровне преобразуется в детерминированное на макроуровне.

Неравновесные системы (по И. Пригожину)[11] подразделяются на виды;

локально равновесные или равновесные в локальном элементарном объеме ;

стационарно неравновесные;

флуктуационно-диссипативные структуры.

Неравновесные системы (по В.Эбелингу) [12] делятся на классы:

системы, находящиеся вблизи положения равновесия, в которых происходит разрушение структуры;

системы, находящиеся вдали от равновесия, в которых происходит образование структуры, при особых внешних и внутренних условиях.

Система открыта и обладает нелинейной внутренней динамикой, внешние параметры системы имеют сверхкритические значения.

Равновесные и неравновесные ТД системы.

В кинетике (механике) число степеней свободы равно числу независимых между собой возможных перемещений механической системы. Число СС зависит от числа материальных точек, образующих систему, а также от числа и характера связей. Для голономной системы (системы с геометрическими связями) число СС равно числу s независимых координат, которые определяют положение системы. Число СС определяется соотношением (n - число точек системы, k - число геометрических связей). Для неголономной системы число СС меньше числа координат, определяющих положение системы, на число кинематических связей, не сводящихся к геометрическим (интегрируемым). От числа СС зависит число уравнений движения и условий равновесия механической системы.

В ТД за СС принимаются возможные изменения состояния (в частности, положения) физической системы, обусловленные вариациями ее параметров.

Число СС в ТД равновесной системе определяется правилом фаз Гиббса

( - число компонентов, - число фаз)

В ЭД число СС равно числу независимых процессов (но не геометрических координат), в которых участвует система.

Переход от кинетики к энергодинамике - уменьшение числа независимых геометрических координат и связей до числа независимых энергетических процессов.

3. Анализ основных принципов, гипотез и методов расчета

Для любых методов расчетов имеет значение соблюдение принципов (начала или основа) и удовлетворение гипотезам (предположения).

.1 Принципы физические общие

Приводится часть основных принципов, относящихся к рассматриваемой проблеме.

Принцип детерминизма - состояние системы есть следствие предыдущих процессов и явлений и причина последующих явлений. Все события однозначно определены. Интенсивные переменные, - определенные, неслучайные. Изменение во времени хорошо изучено, определяется известным законом. Состояние описывается алгебраическими и/или обыкновенными дифференциальными уравнениями, и однозначно определяется в любой момент времени по предыдущему состоянию.

Принцип не распространяется на молекулярную физику и термодинамику.

Принцип дискретности - интенсивные переменные заданы только отдельными значениями (прерывистыми). Основывается на экспериментальных значениях переменных состояния.

Траектория не всегда определяется конечными значениями.

Принцип инвариантности - предельные распределения не зависят от тех или иных характеристик исходных распределений. Симметрия есть совокупность инвариантных свойств системы (объекта). Инвариантности уравнений механики отвечают определенные законы сохранения (например, уравнениям относительно сдвигов - закон сохранения энергии).

Принцип геометрический - пространство обладает эвклидовой геометрией.

Принцип соответствия - теория, прошедшая достаточно серьезную проверку экспериментом, адекватно описывает определенный круг явлений.

.2 Классическая механика и общая теплотехника

Системы (надсистемы, системы и подсистемы), рассматриваемые методами классической механики и общей теплотехники принято считать гомогенными

Рассматриваются макроскопические состояния и параметры (внутренние) тела методами классической механики (the classical mechanics, CM) и общей теплотехники (general heat engineering, GHI).

В качестве основных нулевых предпосылок определения работоспособности объекта (элемента объекта) принято принимать:

внешние силы (нагрузки и воздействия) считаются однородными, дискретными и определяются модельными значениями феноменологических независимых характеристик;

состояние среды при определении нагрузок не учитывается, нагрузки считаются пространственно однородными, детерминированными;

внутренние силы объекта (элемента объекта) для состояния равновесия соответствуют живой (внешней) силе, действующей на объект в детерминированном состоянии;

условия равновесия принимаются однородными (считается, что в равновесии процесс изменения внутренних сил прекращается);

материал объекта считается однородным, характеристики материала определяются по информационным источникам (каталогам, сортаментам, ГОСТ, ТУ). Информационное обеспечение, без вероятностной оценки данных, определяется феноменологическими характеристиками материалов, полученных изготовителем;

в состоянии равновесия считается, что все процессы в материале под нагрузкой полностью прекращаются. Считается, что характеристики материала не изменяются во времени и определяются дискретными величинами.

Значения нагрузок принимаются на основании максимальных величин, наблюдаемых в течение длительного периода времени прошедших периодов, увеличенных на значение коэффициента надежности.

По мнению авторов такого подхода, такой способ совместно с принципом суперпозиции и заданным детерминированным сочетанием нагрузок и воздействий обеспечивает расчетное значение кинетической энергии (живой силы).

Далее, приравнивая по третьему закону Ньютона живую силу к работе внутренних сил, определяем конфигурацию сечения объекта системы, материал и массу.

По детерминированным температурным воздействиям, также увеличенным на значения коэффициента надежности и сочетаний, методами теплотехники при известных материалах и сечениях объекта, определяем расход тепла и электроэнергии. В некоторых случаях при расчете учитывается, что температура (излучение) является мерой средней кинетической энергии.

В обоих случаях (при расчете прочности и при расчете энергопотребления) крупномасштабные флуктуации и необратимость процессов во времени во внимание не принимаются.

3.3 Статика твердого недеформируемого тела и теплотехника (Statics of the solid nondeformable body and general heat engineering)

Методы рассматривает тела простых систем. Системы (надсистемы, системы и подсистемы), рассматриваемые методами статики твердого тела и инженерной теплотехники принято считать гомогенными

Статика рассматривает вопросы прочности системы или частей системы в состоянии равновесия в макроскопическом масштабе при детерминированных значениях нагрузок и воздействий и заданных постоянных характеристиках материалов и сечений элементов.

Общие физические гипотезы CM, GHI.

. Рассматриваются макроскопические переменные;

. Рассматривается движение тел (частиц) без рассмотрения внутреннего строения частиц

. Мгновенное распространение интенсивных переменных состояния и скорости .

. Рассматриваются тела (частицы) и процессы в состоянии равновесия.

. Независимость результата от порядка приложения сил.

. Рассматриваются относительно медленные движения макроскопических тел (частиц) по определенным траекториям (известны законы движения).

. Масса тела (частицы) остается постоянной (обмен веществами и химические превращения не рассматриваются). Массообмен рассматривается для жидких и газообразных элементов тела систем инженерного обеспечения.

. Определяется полная механическая энергия системы конкретного функционального назначения (вопросы энергостатики) в состоянии равновесия (изолированные системы). В теплотехнических расчетах рассматриваются два направления (энергетическое и технологическое) связанные с обеспечением детерминированного функционального назначения.

. Рассматриваются процессы обратимые во времени.

. Линейная зависимость между двумя состояниями.

. Температурные воздействия и трение учитываются через среднее значение полной механической энергии: .

. Тела (частицы) считаются недеформируемыми или малодеформируемыми

. Структура системы определена однозначно и остается постоянной.
В расчетах используются уравнения классической механики и уравнения общей теплотехники (энергостатики). Результат расчетов: полная механическая энергия частиц и мощности потребляемой тепловой и электрической энергии без учета перераспределения и превращения энергии между видами движения и рассеяния.
Общее число гипотез . Число принципов (основных) 5.

.4 Принципы методов сопротивления материалов, строительной механики и теплотехники

Системы (надсистемы, системы и подсистемы), рассматриваемые методами сопротивления материалов, строительной механики и технической теплотехники принято считать гомогенными.

Принципы суперпозиции.

. Результат воздействия на тело внешних сил есть векторная сумма сил (составляющие сложного процесса взаимно не влияют друг на друга, результирующий эффект есть сумма отдельных эффектов);

. Взаимодействие между двумя частицами не меняется при внесении третьей частицы;

. Энергия есть сумма энергий парных взаимодействий частиц.

Принцип независимости действия сил.

. Каждая из сил, действующих на тело (частицу), сообщает телу ускорение, как будто других сил нет.

. Действие нескольких реальных сил допускается заменять одной равнодействующей.

Принцип постоянства сечений.

Рассматриваются дискретные значения нагрузок и воздействий с учетом редких статистических явлений.

Характеристики материалов определяются экспериментально и в расчетах принимаются с коэффициентами запаса на учет долговременной работы. Поперечные сечения не изменяют форму под нагрузкой.

3.4.1 Сопротивление материалов, строительная механика (часть механики деформируемого тела) и техническая теплотехника.

Strength of materials, structural mechanics (part of the mechanics of the deformed body) and technical heat engineering.

Методы рассматривают тела в простых системах (IS).

Гипотезы S of M, SM и He and h-p e.

1. Сплошности материала (внутреннее строение, атомистическое во внимание не принимается).

. Однородности и изотропности.

. Малости деформаций.

. Совершенной упругости материала (релаксация не рассматривается).

. Линейная зависимость между напряжениями и деформациями.

. Сечения после деформации остаются плоскими (гипотеза Бернулли).

. Справедливость закона Гука, постоянство в течение срока службы модуля упругости и сдвига.

. Принцип Сен-Венана (уравновешенная система сил, приложенная к части тела, вызывает в нем появление неравномерности напряжений, которая быстро затухает по мере удаления от места приложения равнодействующей силы).

. Гипотеза Кирхгофа-Лява (прямых нормалей).

Общее число гипотез . Число принципов (основных и дополнительных) 8.

В расчетах используются уравнения классической физики и технической теплотехники.

Результат расчетов: полная механическая энергия и мощности потребляемой тепловой и электрической энергии без учета перераспределения энергии между видами движения и рассеяния.

строительный механика система теплотехника

3.5 Механика сплошной среды и общая термодинамика Continuum mechanics and the general thermodynamics

Системы (надсистемы, системы и подсистемы), рассматриваемые методами сплошной среды и общей термодинамики принято считать частично гетерогенными.

.5.1 Принципы механики сплошной среды и общей термодинамики

Принципы теории возмущений (ТВ) - метод приближенного решения уравнений:

параметры в уравнениях безразмерные;

воздействия на систему малые;

находится решение для невозмущенной системы, которое, в последующем, уточняется, и определяются поправки на малые возмущения;

метод последовательных приближений (каждый последующий член меньше предыдущих).

Принципы ТВ применяются при решении классических дифференциальных уравнений (КДУ).

КДУ имеют статистический смысл и верны только для средних значений элементарных процессов. Усреднение связано с потерей информации о процессе, поэтому КДУ справедливы для описания консервативных систем, когда набор структурных состояний зафиксирован, и эволюцией можно пренебречь. Под структурой понимается связь трех и более событий. Пример неприменимости КДУ, - фракталы и сложные системы. Особенностью таких систем является спонтанное изменение структуры динамических элементов при постоянстве внешних условий (бифуркация).

Принцип максмина - в равновесных и стационарных системах имеет место принцип минимизации энтропии (экстремальные принципы).

3.5.2 Гипотезы и законы механики сплошной среды и общей термомеханики

Рассматриваются макроскопические состояния и параметры (внутренние и внешние) системы.

Характеристики материалов и нагрузок определяются феноменологическими (в т.ч., экспериментальными) методами. Рассматриваются закрытые системы CS (обмениваются со средой энергией) в состоянии равновесия. Равновесных состояний бесчисленное множество. Нагрузки, воздействия и характеристики материалов детерминированные дискретные.

Процессы рассматриваются в состоянии равновесия и обратимы во времени.

Системы (простые) рассматриваются методами классической физики.

Гипотезы:

. Гипотеза введения единой декартовой системы координат для всех точек пространства.

. Гипотеза сплошности (Бернулли) объекта.

Тело постулируется как среда, заполняющая определенный объем.

. Гипотеза непрерывности метрического пространства.

. Гипотеза непрерывности абсолютного времени для всех систем отсчета.

. Гипотеза распределенности массы.

. Гипотеза распределенности массовых и поверхностных сил.

. Контактный характер поверхностных сил.

. Гипотеза макроскопичности сплошной среды и механических свойств материалов.

. Гипотеза термомеханики сплошных сред о распределенности массовых и контактных скоростей нагрева.

Число гипотез . Число принципов (основных и дополнительных) 7.

Законы СМ (следствия принципа инвариантности):

. Закон сохранения массы:

масса не изменяется при любых движениях тела, если тело состоит из одних и тех же материальных точек;

масса является аддитивной величиной

.

2. Закон сохранения импульса (изменения количества движения).

. Закон сохранения количества импульса (изменения момента количества движения).

. Закон сохранения энергии (первое начало термодинамики).

. Закон баланса энтропии (второе начало термодинамики).

. Существование абсолютной температуры (нулевое начало термодинамики).

В расчетах используются уравнения механики сплошной среды и общей термодинамики (энергокинематика линейных процессов).

Результат расчетов: полная механическая энергия и мощности потребляемой тепловой и электрической энергии без учета перераспределения энергии между видами движения и рассеяния.

3.6 Открытые системы и энергодинамика

Open systems and the energy-dynamics (OS; ED).

Системы (надсистемы, системы и подсистемы), рассматриваемые методами теории открытых систем и энергодинамики, считаются:

гетерогенными;

поливариантными;

в неравновесном состоянии.

Рассматриваются микроскопические состояния и параметры (внутренние) системы с динамическими (микроскопическими) распределениями частиц и упорядоченные изменения состояний на макроскопическом уровне. Открытые системы (OS) относятся к большим (сложным) системам.

Открытые системы обмениваются со средой энергией, веществом, информацией, в том числе, в неравновесном состоянии. Равновесных (неравновесных) состояний счетное множество.

Нагрузки, воздействия и характеристики материалов стохастические.

Большие системы - пространственно-распределенные системы, в которых подсистемы (их составные части) относятся к категории сложных.

Большую систему характеризуют:

большие размеры;

сложная иерархическая структура;

циркуляция в системе информационных, энергетических и материальных потоков;

высокий уровень неопределенности в описании системы;

наличие неравновесных и нестационарных процессов;

необратимость процессов во времени;

возможность появления самопроизвольных кооперативных и коллективных процессов;

наличие обратной связи.

Системы рассматриваются методами статистической физики.

Открытые системы основываются на принципах:

Принцип инвариантности - последовательность распределений случайных величин при большом числе измерений сводится к распределению случайной величины.

Принцип неопределенности Гейзенберга, - система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс принимают определенные точные значения. Принцип Гейзенберга, - одновременное измерение двух сопряженных переменных (например, положение частицы и импульс) неизбежно приводит к ограничению точности.

Принцип самоорганизации - после выхода системы из равновесия в ней реализуется механизм самопроизвольного упорядочивания, и возникновение нового относительного устойчивого состава;

Принцип эволюционизма - принцип необратимости, выражающийся в нарушении симметрии во времени;

Принцип способности - достигать конечного состояния независимо от нарушения начальных условий;

Принципы термодинамики - 4

Принцип максмина - в равновесных и стационарных системах имеет место принцип минимизации энтропии. В неравновесных системах этот принцип не работает.

Гипотезы OS:

. Систему можно разбить на подсистемы и изучать каждую из них в отдельности с согласованием взаимодействий.

. Система целенаправленно осуществляет выбор своего поведения.

Число гипотез . Число принципов 9.

В расчетах используются уравнения теории открытых систем и энергодинамики.

Результат расчетов:

- распределения (координат и импульсов) в функции времени;

общая энергия системы (сумма полной механической, внутренней энергии и диссипативной энергии) и мощности потребляемой тепловой и электрической энергии с учетами перераспределения энергии между видами движения и рассеяния.

Эволюция развития методов рассмотрения систем: .

В Природе нет других систем, кроме OS: IS и CS (модельные расчетные формы систем).

Энергодинамический метод [13] исследования состоит в рассмотрении энергетической стороны любого явления и приложении к ней общей теории процессов переноса и преобразования энергии.

При рассмотрении состояния ОS установлено, что число равновесных и стационарных состояний представляет счетное множество, неравновесных состояний - бессчетное множество.

Рассмотрение OS в неравновесном состоянии должно исследоваться методами физической и химической кинетики.

Если считать, что энергия [12] соответствует форме движения материи, то термины физическая и химическая кинетика следует заменить сочетаниями с термином энергия.

4. Методы определения функций состояния систем (форм энергии)

Любая реализуемая физическая система (в том числе, здания и сооружения) обладает функцией состояния (энергией). Энергия - форма движения материи.

Виды энергообмена:

энергостатика;

энергокинематика (теория образования и переноса форм энергии);

энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии);

Кинетика физическая изучает:

процессы переноса энергии, импульса,- микроскопическая теория процессов в неравновесных средах;

макроскопические неравновесные процессы, - возникающие в системах, выведенных из состояния термодинамического (теплового) равновесия;

механизмы физических превращений;

Кинетика химическая (раздел физической химии) изучает:

закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости закономерностей от внешних условий;

механизмы химических превращений

.1 Баланс энергии

Основу определения функций состояния систем составляет баланс форм энергии и энтропии.

Принципы составления баланса энергии и энтропии [13].

Изолированные системы (IS) не обмениваются с внешней средой энергией, веществом и информацией. Энтропия IS может только увеличиваться . В IS происходят необратимые изменения и постепенное разрушение их структуры за счет нарастания неопределенности и хаоса, вызываемых возрастанием энтропии.

Закрытые системы (CS) обмениваются с внешней средой только энергией. Энтропия CS может только увеличиваться . В CS происходят необратимые изменения и постепенное разрушение их структуры за счет нарастания неопределенности и хаоса, вызываемых возрастанием энтропии.

Открытые системы (OS) обмениваются с внешней средой энергией, веществом и информацией.

При любом изменении состояния и структуры OS и ее развитии изменение энтропии соответствует выражению вида

где: изменение энтропии системы (как правило, уменьшение энтропии ) за счет обмена системы с внешней средой и получения извне дополнительной энергии (вещества, информации), изменение направлено в сторону неравновесности и изменения структуры системы;

изменение энтропии системы () в результате процессов, происходящих только внутри системы без влияния внешней среды. Изменение повышает организованность системы и всегда направлено в сторону равновесия, причем для необратимых процессов (), для обратимых процессов (). Общее уменьшение энтропии OS возможно только за счет составляющей .

В материальных макроскопических системах любые изменения всегда сопровождаются изменениями энергии и энтропии. В IS и CS энергия сохраняется, а энтропия растет. В OS с подводом извне энергии, общий баланс энергии сохраняется, энтропия уменьшается на величину, которая зависит от соотношения количеств подводимой и теряемой энергии Соотношения энергии и энтропии определяются балансом энергии. Изменение энергии системы в балансе связаны соотношениями:

где: - изменение внутренней энергии (способность тела выполнять работу);

- часть энергии, которая расходуется на изменение состояния внешних систем, например, упорядочение структуры, извлечение информации, перемещение в пространстве (полезная или упорядоченная работа);

- тепловая энергия;

- изменение энергии и энтропии, вызванное информацией.

Баланс энергии подчинен принципам:

первый принцип, - энергия системы расходуется на изменения внутреннего состояния, состояние внешних систем и изменение тепловых процессов;

второй принцип, - возрастания энтропии.

Изолированные и закрытые макроскопические системы стремятся самопроизвольно перейти из менее вероятного состояния в более вероятное состояние или из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное состояние (при отсутствии сил, которые препятствуют переходу). Энтропия IS и CS может только возрастать

Реальным изолированным, неравновесным и необратимым системам отвечает знак , знак отвечает идеальным (нереальным) обратимым системам. Абсолютно изолированные реальные системы на практике не существуют. Считают: к IS условно и приближенно можно относить, например, здания и сооружения при длительной эксплуатации, металлические конструкции под действием коррозии. Такой подход вызван тем, что в активной форме упорядоченное действие над системами за счет затрат энергии не совершается, т.е. системы не ремонтируются, не восстанавливаются, на основании этого делается предположение об отнесении систем к IS с возрастанием энтропии.

Если система относится к OS, то она из внешней среды получает энергию в какой-либо форме, но при этом происходит не повышении, а понижение упорядоченности или уровня системы или уровня информации о системе. Энтропия системы будет возрастать (по аналогии с IS), но возрастание происходит не самопроизвольно, а вследствие воздействия внешней среды или воздействия другой системы.

Случаи самопроизвольного и вынужденного роста энтропии недопустимо сравнивать между собой. При вынужденном росте энтропии взаимодействие с внешней средой (другими системами) можно записать в виде неравенств

Неравенства приводят к деградации энергии, которая последовательно переходит из механической энергии в химическую и далее в тепловую энергию. Отсюда, система способная производить механическую, химическую, тепловую и электрическую энергии (работы), должна рассматриваться как источник нэгэнтропии .

Исследованиями И.Р. Пригожина установлено, что системы могут существовать или создаваться таким образом, чтобы , что соответствует принципу минимального возникновения энтропии или принципу максимально возможного сохранения структуры (упорядоченности) системы в неравновесном состоянии.

третий принцип баланса энергии соответствует принципу уменьшения энтропии OS при эволюции.

Энтропия OS в процессе эволюции всегда уменьшается за счет потребления от внешних источников энергии, вещества и информации, т. е

Деятельность и снижение энтропии OS происходит за счет расхода энергии, информации или вещества внешней системы (среды) и, следовательно, роста энтропии внешней среды или внешней системы, которая отдала свою энергию, информацию или вещество рассматриваемой OS. Третий принцип баланса энергии выглядит противоположным второму принципу повышения энтропии, но не противоречит ему, так как второй принцип относится к IS или CS, в которых изменения происходят самопроизвольно. В ОS процессы эволюции упорядочивают деятельность системы;

четвертый принцип баланса энергии - принцип предельного развития материальных систем.

Любые материальные (в том числе, технические) системы при эволюции (в том числе, при модернизации и совершенствовании) достигают характерного для каждой совокупности внешних и внутренних условий предела. Предел определяется максимальным значением соответствующего вида антиэнтропии и негэнтропии или максимального значения другого критерия. Максимальное значение отсчитывается от некоторого нулевого или же максимального значения коэффициента полезного действия (кпд) или от критерия эффективности развития или функционирования системы. Данный вид критерия всегда можно свести к отношению полезно используемой энергии ко всей затраченной энергии или отношению достигнутого роста негэтропии, или антиэнтропии к затраченной энергии (или нэгэнтропии)

Данный принцип является существенным для оценки предельных возможностей объектов и систем, с учетом их совершенствования.

- пятый принцип баланса энергии - принцип преимущественного развития или конкуренции.

В каждом классе природных, технических, материальных систем развиваются те системы, которые при данной совокупности внутренних и внешних условий достигают максимального значения негэтропии или максимальной энергетической эффективности (кпд, надежности, производительности, долговечности и т.д.).

Системы можно разделить на классы: саморазвивающиеся, несаморазвивающиеся и энтропийные.

К саморазвивающимся системам относятся системы, воспроизводящие необходимые для собственной целостности условия. Развитие систем происходит на основе внутренних противоречий. Процессы саморазвития протекают всегда с рассеянием энергии, поэтому саморазвивающиеся системы со временем становятся энтропийными системами.

К несаморазвивающимся системам относятся системы, для развития которых необходимы источники энергии и нэгэнтропии, находящиеся внутри системы. К объектам таких систем относятся технические объекты и системы, с восстанавливаемой надежностью. К энтропийным или деградационным системам относятся системы, в которых объекты (или элементы, материалы и химические элементы) подвергаются естественному распаду и старению. Для таких систем характерными свойствами являются возрастание энтропии, процессы рассеяния энергии и вещества.

К IS и CS условно можно отнести системы, которые:

не взаимодействуют с окружающей средой или при расчетах, которых принимаются условия отсутствия взаимодействия со средой;

не находят в окружающей среде, условий для эволюционного саморазвития.

Такие системы изменяются в направлении роста энтропии, вплоть до полной деградации и распада. Теоретически можно представить такие IS и CS, которые обладают источниками саморазвития и способность воспроизводства или восстановления, но испытывают не деградацию, а прогресс и развитие в сторону уменьшения энтропии и роста нэгэнтропии. На практике такие системы не встречаются.

Эволюция таких систем носит интегральный характер и включает как процессы деградации (регресса), так и процессы развития (прогресс).

Информационная энтропия - мера недостатка информации. Так как информация считается функцией состояния системы, то увеличение информации о системе означает уменьшение неопределенности системы, связи информации с вероятностью состояния системы и, следовательно, связи с энтропией (связанная энтропия или нэгэнтропия).

Изменения, происходящие в системах в процессе развития, имеют тенденции: стремление к усложнению организации и стремление к упрощению. Тенденция к усложнению равновесна накоплению информации, тенденция к упрощению означает уменьшение информации и накопление энтропии. Развитие системы - одновременно и усложнение и упрощение формы организации. Если при развитии системы доминирующими являются тенденции усложнения (накопления информации и снижение энтропии), то такие процессы происходят за счет расхода энергии.

.2 Функции состояния систем с использованием законов классической физики

Классическая физика (механика) связана с исследованиями функций состояния консервативных CS. Для таких систем имеет место частное ограничение на взаимодействие системы с окружением: система может обмениваться с окружением без изменения вещества, энтропии и энтропии информации. Физическая информация - величина обратная энтропии физической системы (следовательно, энтропия системы - постоянная величина, для заданных условий). Действие среды заменяется эквивалентными внешними силами, среда не рассматривается. Считается, что тело не оказывает влияние на изменение среды. Отсюда, считается справедливым рассмотрение IS и CS.

В реальном физическом мире CS в любой точке своей границы находится в статическом и динамическом равновесии с окружением. Неизбежные для реальных условий флуктуации могут обратимо переносить энергию через границу системы. Считается, что флуктуационная неравновесность системы не требует обмена энергией с окружающей средой.

.2.1 Определение функций состояния методами статики твердого тела и теплотехники

Механическая энергия тела определяется для состояния равновесия и считается обратимой во времени.

Взаимодействие со средой заменяется численными значениями внешних нагрузок. Система считается замкнутой, консервативной. Это позволяет в расчетах сделать переход типа .

Тепловая энергия определяется для объекта (без учета взаимодействия со средой или другими объектами) независимо от полной механической энергии:

по функциональному назначению;

расчетами НДС объекта (экстенсивные и интенсивные переменные ) в состоянии равновесия (объект и элементы).

Теплотехника рассматривает переменные в макроскопическом масштабе:

расчет тепловой и электрической энергии производится для тела постоянной формы с заданными значениями экстенсивных переменных с учетом функционального назначения объекта.

Расчет определяет объемы поставок тепловой и электрической энергии. Влияние тепловой и электрической энергии на полную механическую энергию объекта (полезную работу) не рассматриваются. Вопросы переноса и превращения энергий не рассматриваются;

процессы распространения теплоты (техническая термодинамика и теория теплообмена) рассматриваются для однородной системы в состоянии равновесия;

связи между энергиями тепловой и механической (химические процессы не рассматриваются).

Системы не обмениваются со средой (среда во внимание не принимается).

Нагрузки, воздействия и характеристики материалов детерминированные, увеличенные на произведение соответствующих коэффициентов.

Расчет тепловой энергии определяется балансом температур для каждого состояния равновесия.

Баланс температур для здания (сооружения) определяется по потерям тепла, (например, по СНиП)

где: - суммарные теплопотери тепла через поверхности (ограждения)

где: - площадь ограждающих поверхностей;

- температура внутренняя и наружная для конкретного состояния равновесия

- коэффициент, учитывающий положение ограждения (сооружения) относительно наружного воздуха;

- теплопотери добавочные, в долях от основных;

- коэффициент теплопередачи материала;

- термическое сопротивление воздушных прослоек;

- коэффициент теплоусвоения внутренней и наружной поверхности;

- толщина слоев материала;

- расчетный коэффициент теплопроводности;

- максимальный расход тепла на нагрев воздуха, который инфильтруется через ограждения по (4.2.3) или (4.2.4)

где: - расход удаляемого воздуха из помещений;

- плотность воздуха наружного ;

- удельный вес воздуха;

- удельная теплоемкость воздуха

- температура внутренняя и наружная 0С;

где: - расход воздуха, проникающего внутрь через ограждающие поверхности.

- коэффициент, учитывающий встречный поток

- тепловыделения оборудования

Расчет электроэнергии определяется мощностью установленного оборудования (по балансу тепла), функциональным назначением и нормами освещения.

Рассматривается функция состояния объекта для IS. Действие среды и других объектов системы заменяется действиями сил и моментов. Определяются функции состояния: механическая энергия объекта, тепловая и электрическая формы энергии в состоянии равновесия. Экстенсивные переменные (объем , масса объекта) - постоянные величины, заданные величины и величины, определяемые расчетом НДС. Масса объекта принимается на основании расчетных данных, умноженных на произведение соответствующих коэффициентов.

Интенсивные переменные (температура , давление ), не зависящие от размера определяются расчетом НДС.

В классической механике (CM) полная механическая энергия связана с работой, выполняемой телом, против внешних сил

Отсюда следует

В механике сплошной среды (МСС) принято считать:

механическая энергия тела определяется положением (координатами) центра инерции и относится целиком ко всему телу (фактически имеет место распределение энергии по координатам частиц) Механическая энергия тела при условии сохранения формы (бесконечно малые перемещения) определяется соотношением

Считается, что механическая энергия физического тела равна сумме механических энергий частиц, составляющих тело и частицы однородны в пространстве (имеют одинаковую форму, порядок симметрии, массу и под действием сил движутся с одинаковой скоростью)

Второй закон Ньютона

Умножим обе части на : связь работы с кинетической энергией.

Система замкнута

Система изолирована

Для поступательного и вращательного движения справедливо выражение вида

где: - масса частицы; - скорость; - момент инерции; - угловая скорость.

Работа

Для консервативных сил

;

.2.2 Определение функций состояния методами сопротивления материалов, строительной механики и технической теплотехники

Состояние систем считается равновесным (стационарным). Функции состояния объекта и системы определяется по условиям пункта 4.2.1 с учетом изменения полезной работы по НДС за счет трения и изменения температуры. Масса участков (элементов) тела в процессе взаимодействия с нагрузками остается постоянной:

Полная механическая энергия определяется суммой кинетической, потенциальной энергией внешних сил и потенциальной энергией деформации. Кинетическая энергия определяется для участка тела (характеризуется массой и скоростью). Потенциальная энергия и потенциальная энергия деформаций всегда характеризуют два тела или положение тела во внешней среде (характеризуются взаимным расположением тел). Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе, которую совершает сила упругости при переходе тела в состояние, в котором деформация равна нулю

где: - удельная потенциальная энергия деформации;

- напряжения и относительные деформации частицы.

Функции состояния определяются для состояния равновесия. Системы рассматриваются консервативными закрытыми. Действует закон сохранения энергии в формулировке классической физики. При составлении баланса энергии рассматривается механическая энергия деформируемого тела. Действие объекта на среду не рассматривается. Энергия надсистемы определяется соотношением

где: - энергия надсистемы (- super system);

- полная механическая энергия тела (объекта);

- упорядоченная (полезная) работа сил деформации

- упорядоченная работа тепловой энергии (4.2.1) в результате температурных воздействий на элементы системы;

- упорядоченная работа электрической энергии, подведенной к системе;

- кинетическая энергия механической системы;

- потенциальная энергия механической системы.

В существующих методиках расчета состояния систем работы (энергии) не учитываются.

Таким образом, в уравнениях состояния учитываются обратимые процессы в состоянии равновесия.

.2.3 Определение функций состояния систем методами механики сплошной среды

Механика сплошных сред (CM) рассматривает движение жидких, газообразных и твердых деформируемых тел и силовые взаимодействия в телах.

В CM считаются непрерывными характеристики тел . Рассматривается область пространства , имеющая объем , ограниченный поверхностью . Использование методов СМ исключает необходимость разделения системы на надсистему и механическую и иные виды систем, так как рассматриваются процессы, происходящие в выделенной части пространства. Методы СМ рассматривают состояние ЗС консервативного типа в состоянии локального равновесия для каждого вида переносимой величины. В результате расчета состояний, определяется минимальный объем тепловой и электрической энергии, необходимых для выполнения функционального назначения системы. Следовательно, в балансе энергии для состояний локального равновесия, в данном случае должны быть определены:

полная энергия чистой механической системы (упорядоченная работа, связанная с внешними нагрузками и воздействиями);

полезная работа части тепловой и электрической энергии, влияющие на механическую энергию системы;

Полезная работа определяется с использованием соответствующих коэффициентов теплопроводности, линейного и плоского расширения при температурном воздействии и коэффициентов трения в местах приложения нагрузок к поверхности тела.

минимальные количества тепловой и электрической энергии, необходимые для обеспечения функционального назначения системы и требующие внешних источников;

часть энергии диссипации, связанная с учетом энергии трения и температурного воздействия.

Энергия системы в состоянии равновесия (индекс «o» опущен) определяется соотношением

где:- полная механическая энергия системы как целого

- механическая энергия объекта (сумма кинетической и потенциальной энергий объекта (тела));

- упорядоченная (полезная) работа против внешних сил. Работа теплообмена, температуры, трения, систем электроэнергии;

- неупорядоченная (непревратимая) работа (энергия), вызванная теплообменом, объемной и линейной деформацией, трением, электрическим потенциалом;

- элементарная полезная (упорядоченная) работа;

- результирующая сила по каждому виду воздействия;

- перемещение, вызванное действием ;

- обобщенный потенциал (температура, давление, деформация, электрический потенциал);

- экстенсивная координата состояния.

В существующих методах CM определения состояния системы считается достаточным учет состояния, определяемого полной механической энергией тела (объекта) .

Обеспечение состояния системы в течение срока службы осуществляется увеличением массы на произведение соответствующих коэффициентов . Не учитывается, что полезная работа является двухзначной величиной и может как увеличивать, так и уменьшать значение полной механической энергии системы и других членов соотношения (4.2.13). Кроме того, методами МС учитываются обратимые по времени процессы и часть циклических необратимых процессов, которые в состоянии локального равновесия приравниваются к обратимым процессам.

Существует прямая связь между энергией и НДС объекта (тензоры напряжений и деформаций), поэтому случаи с недоопределением энергии оканчиваются частичным или полным (аварии) отказом систем. В зданиях и сооружения присутствуют люди, выполняющие определенную работу, связанную с тепловыми, электромагнитными процессами и излучениями. Существующие методы расчета влияния людей на работу системы основываются на модельных представлениях процессов и в объеме энергии прямо не учитываются. Учет осуществляется опосредованно с использованием модельных представлений. Для создания зданий и сооружений широко используются композитные материалы, имеющие определенную структуру и порядок симметрии. Структура и порядок являются функцией нагрузок, условий функционирования и времени. Данный вопрос в балансе энергии не рассматривается. В методах, связанных с использованием классической физики в полном объеме не учитывается внутренняя энергия системы, которая отражает способность системы воспринимать нагрузки, структурные изменения и превращения и полностью описывать трансляционные энергетические процессы.

.3 Функции состояния открытых систем, упорядоченные и неупорядоченные формы энергии

Состояния OS определяются для частиц в неравновесном состоянии с учетом необратимых по времени процессов, обмена энергией, веществом, физической и информационной энтропией.

Энергия - общая количественная мера движения и мера перехода движения материи из одних форм в другие (взаимодействие всех видов категории).

Энергия - мера способности системы совершать работу.

.3.1 Виды и формы энергии

Различают виды энергии:

кинетическая энергия (энергия движения);

потенциальная энергия (энергия взаимодействия тел или частей между собой и внешними полями);

энергия диссипации;

химическая энергия;

информационная энергия (кинетическое состояние информации)

Энергия диссипации - переход части энергии упорядоченных процессов () в энергию неупорядоченных процессов и в теплоту. Учет с помощью диссипативных функций. При диссипации в замкнутых системах энтропия возрастает. В OS диссипация приводит к убыли (уносу) энергии за счет, например излучения, может приводить к уменьшению энтропии при увеличении полной энергии системы и окружающей среды. Вместо термина энергия диссипации иногда используется термин энергия деградации (рассеяния), но вырождается не энергия, а способность системы совершать работу.

Диссипативная энергия приводит к качественным изменениям энергии.

К числу противодействия системы внешнему энергетическому воздействию (энергия положения) добавляется возможное противодействие физического поля, связанное с прекращением движения системы, перемещением системы в поле или с ее возможным поворотом относительно силовых линий поля.

Так как определяющее уравнение для расчета потенциальной энергии положения иное, чем для расчета потенциальной энергии, связанной с противодействием жесткости, то рассматриваются два вида потенциальной энергии (потенциальная энергия положения и потенциальная энергия жесткости).

Полная энергия системы - сумма внешней и внутренней энергии. Внешняя энергия является упорядоченной энергией системы как целого. Внутренняя энергия - зависит от внутреннего состояния системы и не включает в свой состав виды энергии системы как целого.

В соответствии с формами движения материи различают формы энергии (в т.ч. волновые процессы):

механическая;

гидравлическая;

тепловая;

электромагнитная;

химическая;

ядерная или излучательная (слабого и сильного взаимодействия) и т.д.

ТД рассматривает внутреннюю энергию и другие ТД потенциалы.

Химическая кинетика рассматривает законы химических реакций, величины в виде энергии связи и энтальпии, отнесенные к количеству вещества (химический потенциал).

Физическая кинетика рассматривает процессы в неравновесных средах, в микроскопическом масштабе. Если известна функция распределения частиц системы по координатам и импульсам в функции времени, то можно определить все характеристики неравновесной системы.

Энергия равновесного состояния системы (элемента) рассматривает состояния, в которых все процессы условно прекращены. Энергия стационарного состояния системы (элемента) рассматривает состояния со стационарными (близкими к равновесию, медленными) процессами. Энергия нестационарного состояния системы (элемента, частицы) рассматривает неравновесные необратимые процессы (реальные процессы). В системе, находящейся в НС происходят необратимые процессы переноса (теплопроводность, диффузия, трение и т.д.). Эти процессы стремятся вернуть систему в состояние равновесия (ТД или статистического), если нет препятствующих факторов (отвода или подвода энергии и вещества). В противном случае система стремится перейти к стационарному состоянию (производство энтропии в системе компенсируется ее отводом из системы).

.3.2 Уравнения баланса энергии открытой системы

Для определения энергии методами CM в состоянии равновесия использовались соотношения (4.2.13÷16) для полной энергии системы и полной механической энергии системы как целого.

Уравнение баланса OS имеет вид

где:- полная энергия системы для локального или детального состояния равновесия;

- добавочный член, учитывающий характер изменения состояния во времени (функция внутренней энергии и флуктуаций полезной внешней работы).

где:- полная механическая энергия системы как целого

- механическая энергия объекта (сумма кинетической и потенциальной энергий объекта (тела));

- упорядоченная (полезная) работа против внешних сил (теплообмена, температуры, трения, систем электроэнергии);

- неупорядоченная (непревратимая) работа (энергия), вызванная теплообменом, объемной и линейной деформацией, трением, электрическим потенциалом;

- элементарная полезная (упорядоченная) работа;

- результирующая сила по каждому виду воздействия;

- перемещение, вызванное действием ;

- обобщенный потенциал (температура, давление, деформация, электрический потенциал);

- экстенсивная координата состояния.

Полная энергия OS системы [13,19] в неравновесном состоянии определяется соотношением

где: функции в составе соотношения являются функциями времени;

- упорядоченная энергия системы как целого;

- неупорядоченная энергия системы как целого;

- полная механическая энергия системы как целого;

- кинетическая энергия информации (часть энергии информации, влияющая на );

- внутренняя энергия системы;

- часть энергии информации, связанная с внутренним взаимодействием частей системы.

где: - полная энергия тела (объекта) системы;

- кинетическая энергия системы в целом;

- потенциальная энергия системы в целом;

- внутренняя энергия системы

- энергия неравновесного состояния;

- давление в объеме системы;

- объем;

- химический потенциал;

- количество частиц;

Изменение кинетической энергии системы

.

Кинетическая энергия, часть энергии механической системы, зависящая от скоростей движения точек

где: - масса частицы системы;

- скорость движения частицы

- масса системы;

- скорость центра масс;

- кинетическая энергия движения системы вокруг центра масс:

- момент инерции тела;

- угловая скорость тела.

Из сравнения уравнения состояния газа и основного уравнения кинетической теории следует

Поэтому среднее значение энергии имеет вид:

Из соотношения следует

Изменение потенциальной энергии системы, взятое с обратным знаком, соответствует работе внутренних консервативных сил: .

Изменение полной механической энергии:

В общем случае кинетическая энергия не является функцией массы и скорости и зависит от внутренних процессов, происходящих в системе (например, инфильтрации, имплантации частиц среды).

Для случая конечных перемещений под действием нагрузки, можно рассмотреть изменение кинетической энергии в виде суммы

где: - изменение кинетической энергии, вызванные полезной работой;

- одностороннее самопроизвольное изменение кинетической энергии, вызванное внутренними процессами. Эта часть изменения энергии может быть положительной или отрицательной.

Внутренняя энергия - энергия системы, зависящая только от ее внутреннего состояния и не включающая в себя виды энергии системы как целого. Внутренняя энергия включает в себя формы энергии всех форм движения системы и все виды энергии каждой формы энергии, взятой в отдельности

где: и - внутренняя энергия, энтропия неравновесного состояния (для состояний локального или детального равновесия используется индекс «o»);

- свободная энергия.

Изменение внутренней энергии системы

где: - внутренняя энергия, объем, энтропия;

- температура , давление;

- химический потенциал, число молей вещества в системе.

Пусть система совершает работу механического характера , и элементарную работу не механического характера, уравнение (4.3.13) примет вид

Энергия Гиббса как изобарно-изотермический потенциал определится в виде

Соотношение Гиббса-Дюгема записывается в виде

Из соотношений (4.3.12)-(4.3.16) следует

Поэтому если распространить соотношения классической (равновесной) механики на ОS, то их свободная энергия может оказаться равной нулю. От этого несоответствия можно избавиться, если свободную энергию ОS определять не по «обратному балансу» (за вычетом равновесной части энергии), а путем представления свободной энергии через параметры их неравновесности.

В составе исследуемой системы имеется подсистема, энергия которой зависит от энергии химически реагирующих сред. Для длительных процессов эта часть энергии приводит к уменьшению величины работы, способную воспринимать системой, что равносильно уменьшению энергии системы. Рассмотрим свободную энергию химических реагирующих сред.

Пусть в закрытой неравновесной системе протекают гомогенные химические реакции. Текущие концентрации веществ в реагирующей смеси с начальными концентрациями связывает соотношение

где: - стехиометрические коэффициенты веществ в реакции;

- степень полноты в реакции.

Вместо параметра можно использовать экстенсивную координату химического неравновесного состояния

Величину можно считать незавершенностью реакции. Дополнительные параметры неравновесности обращаются в нуль и соотношение (4.3.18) можно переписать в виде

где: - концентрация вещества до завершения реакции.

Изменения в OS происходят вследствие:

диффузии веществ, которые не участвуют в химической реакции (массообмен в состоянии равновесия);

химических превращений веществ, участвующих в реакции;

имплантации твердых и жидких фаз среды на поверхность объекта.

Эти процессы могут считаться независимыми:

массообмен в равной мере изменяет концентрации и оставляет ;

химические реакции изменяют и оставляют неизменными .

Учитывая, что член в соотношении (4.3.15) можно представить в виде

где: - удельное химическое сродство химической реакции.

В химически реагирующих средах внутреннюю энергию можно разложить на составляющие:

внутренняя энергия равновесного состояния

- внутреннюю энергию неравновесного состояния

Величина (свободная энергия химически реагирующих систем или химическая энергия) характеризует часть внутренней энергии, способную к химическому превращению и к совершению полезной внешней работы. В отличие от (энергии Гиббса) выражается только через параметры , так что ее величина не изменяется в процессах диффузии веществ, которые не участвуют в химической реакции.

Объединенное уравнение 1-го и 2-го начал термодинамики ОС принимает вид

где: характеризует элементарную работу, которую может совершать система за счет убыли внутренней химической энергии.

Величина (энергии химических реакций) не зависит от протекающих в системе процессов теплообмена и массообмена в равновесном состоянии и не зависит от объемной деформации.

Изменение (убыль) химической энергии определяет величину возможной работы в любых условиях процесса (не только при или ).

Выделение с помощью параметров равновесной и неравновесной составляющих внутренней энергии определяет разницу между процессами массообмена в состоянии равновесия и в неравновесном состоянии.

Если в процессе массообмена изменяются только равновесные концентрации реагирующих веществ , т.е. в систему поставляются продукты реакции, то другим процессом является увеличение координаты , когда в систему поставляются реагенты, удаляющие системы от состояния химического равновесия. Равновесный массообмен (аналогично теплообмену) изменяет равновесную (непревратимую или неработоспособную) часть внутренней энергии системы.

Неравновесный массообмен содержит в себе увеличивающуюся химическую энергию , которая системой воспринимается как часть работы, совершаемой над системой.

Виды энергии системы, определяемые внутренним состоянием:

внутренняя энергия неравновесного состояния

- связанная энергия : - энтропия; температура ;

свободная энергия: .

Из теоретической механики действие определяется соотношением:

где: - действие;

- живая сила;

- скорость движения частицы;

- скорость движения частицы под действием внешних сил;

- скорость действия частицы на среду;

- элемент пути за время

Принцип наименьшего действия:

где: - обобщенные координаты;

- обобщенные (сопряженные) импульсы;

- функция Гамильтона.

В механике сплошной среды считается, что частица не имеет воздействия на среду.

Первый закон Ньютона - существуют инерционные системы отсчета (ИСО), относительно которых материальная точка при отсутствии внешних сил сохраняет величину и направление скорости бесконечно долго;

Второй закон Ньютона - в ИСО ускорение прямо пропорционально равнодействующей сил и обратно пропорционально массе: ;

Третий закон Ньютона - материальные точки действуют друг на друга силами.

Силы должны:

иметь одинаковую природу;

иметь направление по прямой, соединяющей точки (частицы);

быть равными по модулю и противоположными по направлению:

Если физическая система изолирована, то ее состояние, определяемое макроскопическими переменными , необратимо эволюционирует и инвариантному во времени состоянию, и в этом состоянии в системе не наблюдается никаких физических или химических изменений. Температура во всех частях системы, находящейся в таком состоянии, одинаковая. Считается, что такое состояние можно считать равновесным.

Равновесие механической системы, - все силы полностью уравновешены (гасят друг друга).

Равновесным называется состояние термодинамической систем (ТДС), характеризующееся при постоянных внешних условиях неизменяемостью параметров во времени и отсутствием в системе потоков (общее начало термодинамики).

Стационарным состоянием системы считается состояние, когда характеристики системы не меняются со временем. Для открытых систем стационарным считается состояние, когда энергия системы не меняется со временем. Степень неупорядоченности системы характеризуется энтропией.

Эволюция произвольного состояния к равновесному состоянию происходит вследствие необратимых процессов. В равновесном состоянии работа внешних сил определяется выражением

При рассмотрении диссипативной структуры работа внешних сил определяется соотношением

где: - диссипативный порядок траектории.

Таким образом, равновесные системы характеризуются:

равномерным распределением температуры;

функциями состояния, - энергия и энтропия.

Требование постоянства в распределении температуры не входит в число требований, при выполнении которых энтропия или энергия системы становятся определенной.

В неравновесных системах температура распределяется неравномерно, но вполне определенным образом, а распределение энтропии, энергии или вещества связано с плотностью распределения термодинамических потенциалов

где: - плотность энтропии на единицу объема;

- плотность внутренней энергии на единицу объема;

- число молей на единицу объема.

Неравновесным называется такое состояние, при переходе через которое из одного состояния равновесия в другое смежное, бесконечно близкое состояние равновесия, совершаемая работа меньше величины максимальной работы, совершаемой при переходе между теми же равновесными состояниями через промежуточное равновесное состояние. В окрестности любого равновесного состояния имеются смежные, бесконечно близкие неравновесные состояния, которые не могут быть достигнуты путем квазистатического равновесного перехода.

Убыль термодинамического потенциала

где: - максимальная работа в равновесном состоянии;

- фактическая работа неравновесной системы.

Считается, что зависит от начального и конечного состояний, и не зависит от пути (предположение относится к закрытым системам).

Принцип локального равновесия

где: - термодинамический потенциал неравновесного состояния;

- потеря работы системой.

В зависимости от вида системы можно записать:

изолированная система (IS)

закрытая система (CS)

- открытая система (OS)

5. Результаты анализа методов определения состояния систем, основные причины отказов систем

.1 Результаты анализа методов определения состояния систем (в части НДС и ТД)

Классическая механика (физика) и теплотехника, включая рассмотрение недеформируемого и деформируемого тела, предполагают одновременное удовлетворение 22 гипотезам и 13 принципам, которые ограниченно описывают состояния модели изолированной системы для равновесных процессов.

Механика сплошной среды и линейная термомеханика предполагают одновременное удовлетворение 9 гипотезам и 7 принципам.

Методы (CM and TM) позволяют рассматривать консервативные системы в замкнутом состоянии (закрытые системы) методами линейной термодинамики для равновесных и квазистационарных процессов. Использование в расчетах методов конечных элементов (один из приближенных методов решения дифференциальных уравнений) любой структуры приводит к необходимости применения средних значений макроскопических переменных, что отражается на точности расчетов прочности и деформативности и информационной безопасности систем.

Открытые системы и энергодинамика предполагают удовлетворение 2 гипотезам и 9 взаимосвязанным принципам.

Гипотеза - предполагаемое направление решения задачи (может быть заведомо ложной и/или истинной).

Принцип - основное полагающая истина, начало.

Полностью удовлетворить одновременно всем гипотезам в любом из методов и всем сочетаниям гипотез и принципов (начал) не представляется возможным.

В случае неудовлетворения какой-либо гипотезе имеет место отказ (компенсируемый или некомпенсируемый), в случае неудовлетворения нескольким гипотезам имеет место авария объекта в системе.

В случае полного удовлетворения всем гипотезам, получаем пустое множество.

При неполном удовлетворении получаем системные ошибки и неудовлетворительные решения.

Для эволюции системы число принципов должно быть больше числа гипотез.

Таким образом, определить напряженно-деформированное состояние сложной системы в течение срока службы можно только методами теории открытых систем.

Современные методы расчета термодинамического состояния систем также зависят от методов определения НДС.

Инженерная теплотехника (термостатика, термокинематика) и классическая физика (механика, теория сооружений, строительная механика) рассматривают:

гомогенные системы, - системы, механические связи которых сводятся к геометрическим связям (простые однородные системы);

- консервативные системы (неконсервативные силы, сопротивление среде и трение нулевые);

изолированные системы (любые другие системы приводятся к изолированным системам путем замены действия среды конкретными силовыми, тепловыми и иными воздействиями);

- любые процессы в состоянии равновесия (на текущий момент времени все действия в системе прекращены).

Техническая термодинамика стационарных процессов (равновесная термодинамика) и механика сплошной среды (включая: теорию упругости, теорию оболочек и пластин) с постулатами классической физики рассматривают:

гетерогенные (неоднородные) системы в стационарном состоянии;

консервативные системы с использованием неконсервативных сил (трение) взаимодействия со средой;

закрытые системы в стационарном состоянии (состоянии близком к равновесию), при расчете НДС приводятся к изолированным (замкнутым) системам;

любые процессы в состоянии локального равновесия.

Теория открытых систем (физическая кинетика) и энергодинамика (выражения энергии в терминах ТД (координат состояния и потенциалов)) рассматривают:

гетерогенные (неоднородные) системы в стохастическом состоянии;

открытые системы (обмен со средой и другими телами энергией, веществом и информацией);

вопросы трансляции (переноса) и превращения видов энергии;

любые процессы в неравновесном состоянии (для стационарных процессов используются детальное и локальное равновесия).

В Природе и реальных системах изолированные и закрытые системы не встречаются и, поэтому, результаты расчетов методами классической механики и технической теплотехники (как и расчеты, методами механики сплошной среды и линейной термодинамики) всегда будут отличаться от реальных состояний системы и фактических объемов энергии реальной системы.

Классическая механика представлена системой, в постулаты которой находится закон сохранения импульса, остальные законы (например, закон динамики Ньютона) являются конкретизацией закона сохранения.

Системы, рассматриваемые классической физикой (механика Ньютона), относятся к простым системам,- отличаются однородностью, линейностью и устойчивостью протекающих процессов.

Эволюция простой системы позволяет иметь часть информации и по любому моментальному состоянию однозначно предсказать будущее и восстанавливать прошлое в условиях обратимости во времени (отсутствует признак инвариантности). Только в простых консервативных системах с использованием состояний равновесия и общих экстремальных принципов можно предсказать состояния, к которым переходит система. Реальные системы сложные, поливариантные, неконсервативные и методами, используемыми в настоящее время для расчета зданий и сооружений рассчитать в течение всего срока службы невозможно.

Рассмотрение простых систем не решает вопросов эволюции сложной системы.

Теория OS рассматривает процессы неоднородные, нелинейные, неустойчивые, имеющие необратимый характер [19]. OS характеризуются неопределенностью и непредсказуемостью.

Энергодинамический метод исследования состоит в рассмотрении энергетической стороны любого явления и приложении к ней общей теории процессов переноса и преобразования энергии.

Здания с источниками поставки отдельных форм энергии является частью системы, в основной состав которой входит среда. Поэтому для форм энергии необходимо рассматривать не здания, а систему в целом при действии стохастических интенсивных переменных состояния.

Основные принципы общей теории систем[20]:

целое есть нечто большее, чем сумма частей (тем более, одной части);

целое определяет природу частей;

части не могут быть познаны при рассмотрении их вне целого;

части находятся в постоянной связи и взаимодействии.

системная сложность не подлежит упрощению или исследованиям путем сведения целого к его составляющим;

формулировки, принятые в классической физике плохо подходят к изучению систем являющихся открытыми;

не следует противопоставлять содержание объекта его структуре, так как свойства, не отраженные в структурной модели, могут быть описаны как функции микроструктуры объекта.

В настоящее время принято считать, что для системы и среды является безразличным вид источника формы энергии. По определенному объему формы энергии считается, что можно заменять первичные источники локальными и или альтернаторами (например, солнечными батареями на поверхности здания или источниками ветроэнергетики).

Для системы в целом такие замены являются не безразличными, так как остаются вопросы распределения по видам (шестой уровень) энергии и проблемы, связанные с изменением диссипативной и связанной энергий неравновесного состояния.

С точки зрения энергодинамической системы физических величин и понятий (ЭСВП) [13;16÷18] проблемы, рассматриваемые в части энергообеспечения зданий и сооружений, относятся к пятому уровню иерархической структурной схемы (по формам энергии системы) [10].

Рассматриваемые проблемы не являются системными и не исследуются связи с другими формами энергии и взаимодействия тела (здания) со средами. Не исследуются состояние видов энергии отдельных форм движения, перераспределения, которые происходят между видами энергии отдельных форм движения. Т.е. считается, достаточно в существующей системе на 5-ом иерархическом уровне добавить (заменить) источник одной или двух формы энергии (электрической и тепловой), то решится вопрос энергосбережения и энергоэффективности. Считается, что общая энергия открытой системы останется постоянной и не произойдет перераспределений форм движения энергии на шестом иерархическом уровне.

При подходе к решению проблемы методами классической механики и теплотехники:

не рассматривается система (среда плюс здание), а рассматривается отдельно не связанные со средами здания методами классической механики (в части прочности и деформативности) и методами теплотехники (линейной термодинамики с исключением из исследований среды).

Система в классической механике считается изолированной. Термодинамические (электромагнитные) процессы - линейные, стационарные. Процессы считаются обратимыми во времени. Нестационарные, необратимые процессы не рассматриваются.

Здания и сооружения взаимодействуют с детерминированными нагрузками (в Природе действуют нагрузки стохастические). Характеристики зданий, элементов и оборудования инженерного обеспечения определяются соответствующим видом формы энергии на основе принципов экстремума. Максимальная работа внутренних сил соответствует полной механической энергии, обеспечивающий соответствующий уровень характеристик здания в течение срока службы. Инженерные подсистемы здания по видам форм энергий (тепловая, электрическая) определяются, как и механическая энергия, как сумма максимальных значений (с коэффициентом запаса) по каждому виду энергии. Подход не учитывает возможность перераспределения между видами энергий и влияние перераспределения на общую энергию системы.

Для использования теории открытых систем необходимы:

функции распределения координат и импульсов (скоростей) частицы (элемента);

- флуктуации значений функции распределения;

стохастические (вероятностные) характеристики материалов, элементов с флуктуациями;

описания последовательности и характеристик необратимых процессов.

.2 Основные причины отказов (аварий и катастроф) систем в течение всего срока службы

Термины отказы (аварии и катастрофы) и необратимое изменение надежности взяты из [21] и [22].

При составлении выводов был проведен анализ отказов, аварий и катастроф в России и других стран за период 1985-2012г. По результатам анализа отказов и настоящей работы можно сделать выводы, что причинами аварий, прежде всего, являются подходы к обоснованию прочности, деформативности и надежности. А именно существующие методы расчета НДС и состояний системы, включая:

методы классической физики.

Известно, что классическая физика (времен Аристотеля и Ньютона) неприменима для рассмотрения неравновесных термодинамических систем с необратимыми процессами, но на практике постоянно методами классической физики определяются функции состояния реальных систем, в которых:

нагрузки и воздействия принимаются по статистическим данным прошедших периодов (принцип обратимости во времени);

характеристики материалов и оборудования, феноменологические детерминированные, не изменяемые во времени (оценка работоспособности по выборочным статистическим материалам прошлых периодов);

характеристик прочности (полная механическая работа) и объема потребляемой энергии (теплотехника) в настоящее время определяются из состояния простой системы в место того, чтобы рассматривать общую энергию системы (сумма полной механической и внутренней энергий системы).

В методах классической физики не учитываются и не рассматриваются:

процессы обмена веществом и химических превращений при использовании композиционных материалов в условиях антропогенного воздействия на внешнюю и внутреннюю среду здания (химических превращений веществ от переменного количества людей, рассеяния компонентов композиционных материалов с учетом изменения структуры);

химические превращения, реакции, протекающие в материалах и оборудовании подсистем;

не рассматривает набор условий медицинского характера, которым должны удовлетворять здания (здания возводятся для людей, а простое пребывание людей в помещениях с композитами и рассеивающимися характеристиками бывает опасно для здоровья);

роль управляющих параметров и энтропии информации в неравновесных системах.

Информационное обеспечение методов классической физики:

состав стандартов и нормативных (документы [7]) является неполным, так как:

не учитывает стохастический характер процессов;

не учитывает необратимые процессы в системе;

не учитываются основные принципы обмена веществом и информацией;

Долговременная прочность и деформативность элементов (объекта) современным подходом обеспечивается расчетным значением массы на произведение (от 1 до 10) коэффициентов, подобных энтропии информации, (типа коэффициентов надежности нагрузок, коэффициентов сочетаний нагрузок, коэффициентов условия работ, коэффициентов запаса прочности и т.п.). Современные методы расчета учитывают, что масса структура и порядок симметрии материала (элементов) в зданиях и сооружениях являются постоянными в течение срока службы (исключается из процессов обмен веществом, информацией и превращения форм энергии). Этот подход в сочетании детерминированным состоянием среды и экстремальными принципами является причиной отказа и разрушения систем.

Отказы (аварии и катастрофы) также вызваны применением в расчетах НДС систем методов классической физики. Эти методы пригодны для методического обоснования некоторых взаимодействия модельных объектов с ограниченной номенклатурой нагрузок и полностью непригодны для расчетов реальных систем. Из анализа ТД состояния систем следует, что методы теплотехники (термостатики), методы равновесной ТД (термокинематики) основанные на условиях равновесия являются частными (идеализированными) случаями ТД неравновесного состояния OS. Отказы (аварии и катастрофы) происходят не по линейным расчетным зависимостям, а по реальным процессам бифуркаций, свойственным диссипативным структурам.

В современных конструкциях зданий и сооружений широко используются композитные материалы и покрытия. При создании таких материалов используются опасные для человека вещества, которые излучаются и рассеиваются по всему объему сооружения и части среды в течение длительного времени до изменения структуры материала и ряда химических превращений.

Любые сложные системы (существующие, возводимые и проектируемые), в том числе здания и сооружения, при расчетах которых использовались методы классической физики и линейной термодинамики, независимо от страны дислокации системы, климатических условий и назначения систем, находятся вне пределов зоны разумного риска и представляют реальную опасность для людей во внутреннем объеме объекта (здания). Спектры частот колебаний частиц (элементов) системы и спектр частот диссипативных структур, объединенные общими процессами, образовывают коллективные действия, которые влияют на психофизическое состояние людей внутри объекта.

Нормами (например, [1,2]) выдвигаются требования расчета зданий и сооружений по предельным состояниям. Предельные состояния рекомендуется определять общими экстремальными принципами простых консервативных систем в состоянии равновесия, рассчитываемых методами классической физики и ТД. Состояние систем, определенное суммой экстремальных значений отдельных категорий состояний пригодно только для однородных систем, не учитывает неравновесные и необратимые процессы, процессы порядка последовательности воздействий на систему и процессы бифуркации диссипативных структур.

Эти процессы решаются только путем использования управляющих уравнений в процессе эволюции OS.

Отсюда возникает вопрос о целесообразности модернизации систем, ограниченных состояниями равновесия, и много вопросов к подходам к их созданию.

Озвучиваемые отказов систем (компенсируемые, управляемые или дискретные) в виде несоответствия материалов (качества), порядка технологических нарушений в процесс создания системы (ненадлежащего исполнения порядка производства работ) и ссылки на природные аномалии еще раз подтверждают необходимость перехода к рассмотрению открытых систем. Классические физика и ТД рассматривают системы в состоянии равновесия с дискретными значениями параметров и показателей. Только теория открытых систем рассматривает флуктуации (отклонения) переменных и образование диссипативных структур, в том числе с необратимыми и неравновесными процессами. Отметим, что по сути рассматриваемых и решаемых проблем ЭД является составной частью теории OS.

Становятся явными причины отказов и энергетического кризиса и необоснованные постоянные ссылки на Природные условия и катаклизмы. Большой расход форм энергии является также видом отказа системы и компенсируется внешними источниками, что в конечном итоге ведет к энергетическому кризису.

Из так называемого «энергетического кризиса» есть единственный рациональный выход, - переход на рассмотрение состояний систем методами теории открытых систем с использованием процессов синтеза теорий переноса и превращения энергии (энергодинамики или методами физической и химической кинетики OS) состояний или для особо важных объектов с большим числом посетителей методами энергокинетики.

Литература

1. Стандарт. Нагрузки и воздействия 36554501-015-2008

. СНиП Нагрузки и воздействия 2.01.07.-85

. ENV 1991-1-3; Еврокод 1. Часть 1-1. Общие воздействия - плотность, собственный вес, нагрузки, приложения. Часть 1-3. Общие воздействия - снеговые нагрузки; Часть 1-4. Общие воздействия - ветровые воздействия.

. Надежность строительных конструкций и оснований. ГОСТ 27751-88.

. Надежность в технике. ГОСТ 27.002-89 и ГОСТ Р. 53480-2009

. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения. ГОСТ 27.301-95

. Стандарт. Здания и сооружения объектов энергетики. Методы оценки технического состояния. СТО 17230282.27.010.001-2007.

8. V.Polyakov. On calculation of the stress-strain state of the pneumatic spherical shell in air flow. Scientific Israel -Technological Advanced v.13, no.4 (letters), 2011.

. В. Поляков. Расчет напряженно-деформированного состояния тела в потоке воздуха. www.knowledge.allbest.ru/physics/, 2012.

. В.Поляков. К вопросу энергосбережениях и повышения энергоэффективности систем. www.knowledge.allbest.ru/physics/, 2012

. И. Пригожин. Неравновесная статистическая механика. М. УРСС. 2005.

. В. Эбелинг, А. Энгель, Р. Файстель. Физика процессов эволюции - синергетический подход. М. УРСС. 2001

. В.А. Эткин. Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии). СПБ. Наука, 2008.

. И. Дьярмати. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. М Мир, 1974

. Вопросы управления сложными системами. www.market-journal.com.

.И.Ш. Коган. Систематизация и классификация определений и дополнений к понятию «энергия». Автоматизация и IT в энергетике (журнал АВИТЭ). 2-3.с.с. 56-63, 2009.

. И.Ш. Коган. Обобщение и систематизация физических величин и понятий. Хайфа. 207 с., 2006.

. В.А. Эткин. Термодинамика неравновесных процессов переноса и преобразования энергии. Саратов. СГУ, 1991

. Ю.Л. Климонтович. Статистическая теория открытых систем. Т1,Т3.М., Янус-К.,1995,2001

20. L.Von Bertalanffy. General System Theory, General Systems, 1, 2 . 1956

. В.И. Арнольд. Теория катастроф. М. МГУ, 1983.

Принятые сокращения - классическая механика; CM - механика сплошной среды; ДФА - детерминированный факторный анализ; ИСО - инерционная система отсч

Больше работ по теме: