Андрей Смирнов
Время чтения: ~16 мин.
Просмотров: 0

Замкнутые системы и зси

Простые правила сложного поведения

Мы привыкли, что если нечто демонстрирует сложное поведение, то оно, скорее всего, сложно устроено внутри. Поэтому мы видим закономерности в случайных событиях и пытаемся объяснить непонятные нам вещи происками злых сил.

Однако это не всегда так. Классическим примером простого внутреннего устройства и сложно внешнего поведения является игра «Жизнь». Она состоит из нескольких простых правил:

  • вселенная — клетчатая плоскость, есть начальное расположение живых клеток.
  • в следующий момент времени живая клетка живет, если у нее два или три соседа;
  • иначе она умирает от одиночества или перенаселения;
  • в пустой клетке, рядом с которой ровно три живые клетки, зарождается жизнь.

В целом, для написания программы, которая будет реализовывать эти правила, потребуется пять-шесть строчек кода.

При этом данная система может производить довольно сложные и красивые шаблоны поведения, так что не видя самих правил их сложно угадать. И уж точно сложно поверить, что это имплементируется несколькими строчками кода. Возможно, реальный мир также построен на нескольких простых законах, которые мы еще не вывели, а все безграничное многообразие порождается этим набором аксиом.

Отличия

Основное отличие между двумя понятиями заключается в том, что для замкнутой характерна циркуляция крови по специально созданному контуру. Если кровь незамкнутого вида способна попасть на внутренние органы, посетить ткани организма животного, то закрытая форма подобную проблему решает наличием сложной организации вен, артерий.

Еще одно отличие – кровеносные сосуды открытого кровотока прерываются. Таким образом, кровяные тела на пути к сердцу, перемещаются через органы, клетки организма, соприкасаясь с ними.

У открытой имеются преимущества. Например, благодаря непосредственному контакту крови с тканями, клетками, обмен веществ происходит эффективнее, повышается объем гемолимфы. Образуется дополнительный скелет, называемый гидростатическим.

Что правильно разделять на Закрытые и Открытые системы?

Правильно классифицировать на Закрытые и Открытые – системы теплоснабжения по способу организации горячего водоснабжения.

Рис. 5. Типы систем теплоснабжения

Открытая система теплоснабжения – система, в которой доставка горячей воды потребителям происходит напрямую из тепловой сети. Остальная часть воды идет на отопление и вентиляцию. Горячая вода из смесителя (например, в ванной комнате) – та же самая, что и в отопительных приборах.

Закрытая система теплоснабжения – это система, в которой вода для ГВС подается из городского водопровода, а далее, в теплообменниках подогревается теплоносителем до требуемой температуры. Таким образом, контур горячей воды отделен (закрыт) от контура отопления. Вода, циркулирующая в системе теплоснабжения, используется только как теплоноситель.

Рис. 6. Схема закрытой системы теплоснабжения

У каждой из систем есть свои достоинства и недостатки. Подробно о них можно прочитать в этой статье.

В рамках данного обзора вкратце остановимся на следующем моменте: в открытой системе теплоснабжения существует очень серьезный недостаток – большой объем подпиточной воды.

В случае, когда используются промышленные котельные установки, неизбежно возникнет вопрос экономической целесообразности применения такой схемы.

Так как часть воды просто «вытекает» из смесителей, то эту воду нужно добрать, отсюда возрастают объемы водоподготовки, как следствие – затраты на подготавливающее оборудование.

В обратном случае (без водоподготовки в необходимом объеме) присутствует высокий риск выхода из строя многомиллионного оборудования котельной.

От качества питательной и подпиточной воды зависит надежность работы котельных установок. Борьба с коррозией и накипью — основная задача водоподготовки.

При поставке воды низкого качества возможны серьезные последствия – снижение КПД, а в худших случаях – выход из строя компонентов котельной установки.

Основные проблемы при этом:

  • Загрязнение котлов шламом;
  • Отложение солей;
  • Коррозия металла.

Не существует одинакового «набора» для водоподготовки всех котельных агрегатов, так как качество исходной воды в каждой местности будет различным. Стандартная схема включает в себя следующие этапы:

  1. Фильтр, задерживающий крупную грязь, окалину;
  2. Умягчители, снижающие жесткость воды;
  3. Обезжелезивание;
  4. Фильтр тонкой очистки;
  5. Дозатор химикатов.

Рис. 7. Установка промышленной водоподготовки

Сложные системы

Мы все чаще встречаем вокруг нас сложные системы. Здесь я не нашел звучащих терминов в русском языке, поэтому придется говорить на английском. Существует два принципиально разных понятия сложности.

Первый (complicatedness) — означает некоторую сложность устройства, которая применяется к навороченным механизмам. Такой вид сложности зачастую порождает неустойчивость системы к малейшим изменениям в окружающей среде. Так, если на заводе остановится один из станков, он может вывести из строя весь процесс.

Второй (complexity) — означает сложность поведения, например, биологических и экономических систем (либо их эмуляций). Такое поведение напротив сохраняется даже при некоторых изменениях окружающей среды или состояния самой системы. Так, при уходе крупного игрока с рынка, игроки меньше поделят его долю между собой, и ситуация стабилизируется.

Дальше понятие сложность используется именно во втором смысле.

Зачастую сложные системы обладают свойствами, которые способны ввергнуть непосвященного в апатию, и сделать работу с ними трудной и интуитивно непонятной. Такими свойства являются:

  • простые правила сложного поведения,
  • эффект бабочки или детерминированный хаос,
  • эмерджентность.

Теория систем

Теория систем — это довольно молодая наука на стыке большого количества фундаментальных и прикладных наук. Это своего рода биология от математики, которая занимается описанием и объяснением поведения тех или иных систем и общего между этим поведением.

Существует множество определений понятия системы, вот одно их них. Система — множество элементов, находящихся в отношениях, которое образует определенную целостность структуры, функции и процессов.

В зависимости от целей исследований, системы классифицируют:

  • по наличию взаимодействия с внешним миром — открытые и закрытые;
  • по количество элементов и сложности взаимодействия между ними — простые и сложные;
  • по возможности наблюдения всей системы полностью – малые и большие;
  • по наличию элемента случайности — детерминированные и недетерминированные;
  • по наличию у системы цели — казуальные и целенаправленные;
  • по уровню организации — диффузные (случайные блуждания), организованные (наличие структуры) и адаптивные (структура подстраивается под изменения вовне).

Также у систем существуют особые состояния, изучение которых дает понимание о поведении системы.

  • Устойчивый фокус. При небольших отклонениях, система снова возвращается в исходное состояния. Пример — маятник.
  • Неустойчивый фокус. Небольшое отклонение выводит систему из равновесия. Пример — конус, поставленный острием на стол.
  • Цикл. Некоторые состояния системы циклически повторяются. Пример — история разных стран.
  • Сложное поведение. Поведение системы обладает структурой, но она настолько сложна, что предсказать будущее состояние системы не представляется возможным. Пример — цены на акции на бирже.
  • Хаос. Система полностью хаотична, в ее поведении полностью отсутствует структура.

Зачастую при работе с системами, мы хотим сделать их лучше. Поэтому нужно задавать себе вопрос, в какое особое состояние мы хотим ее привести. Идеально, если интересующее нас новое состояние является устойчивым фокусом, тогда мы можем быть спокойны, что если мы достигнем успеха, то он не исчезнет на следующий день.

Открытая система отопления.

Наиболее простой при монтаже и обладающий приемлемой эффективностью тип сети. К тому же отличается достаточно низкой ценой.

Во втором случае движение жидкости будет обусловлено рядом физических законов и углом наклона труб.

Работа открытой сети состоит из двух этапов, которые постоянно следуют друг за другом:

  1. Подача горячего теплоносителя из котла во все приборы.
  2. «Обратка». Весь переизбыток жидкости направляется в расширительный бак и охлаждаясь поступает обратно в котёл.

Схема открытой системы теплоснабжения

В открытой системе отопления можно применить как однотрубную так и двухтрубную схему отопления. В первом случае оба процесса происходят в одном трубопроводе, а во втором подача и обратка осуществляются в обособленных друг от друга трубах.

В состав простейшей однотрубной системы открытого типа входят следующие части:

  • Котёл для нагревания теплоносителя.
  • Приборы отопления (батареи)
  • Расширительный резервуар открытого типа
  • Трубопровод

В двухтрубной открытой сети увеличен метраж трубопровода, за счёт создания отдельных контуров подачи и обратки.

Так же стоит выбрать как будет происходить циркуляция во всей системе, либо это будет естественная циркуляция, либо принудительная схема с циркуляционным насосом.

Циркуляционный насос в системе отопления

Рассматривая гравитационную и принудительную схемы открытого теплоснабжения стоит отметить:

  • При самотёчной схеме циркуляция теплоносителя происходит за счёт его расширения при нагревании. Помимо этого должен присутствовать такой элемент, как разгонный стояк (его высота должна быть более 3,5 м). Во втором типе для повышения эффективности системы устанавливается циркуляционный насос. Под его воздействием скорость жидкости возрастает на 0,4-0,6 м/с и происходит более равномерный нагрев отопительных приборов. Однако, стоит не забывать, что работа насоса обусловлена наличием электричества.
  • Применение гравитационной системы должно использоваться в помещениях до 60 кв. м. Рекомендуемая длина трубопровода, не более 30 м. И обязательно наличие разгонного стояка. Условия работы принудительной схемы не так строги. Помимо этого можно создать комбинированную сеть, в которой при выключении насоса, будет происходить самотёчная циркуляция.

При обустройстве открытой системы отопления нужно учитывать следующее:

  • Для хорошей циркуляции теплоносителя котёл должен быть установлен в самой низкой точке сети (обычно подвал), а расширительный резервуар как можно выше (обычно чердак). Однако стоит не забывать, что в холодное время чердак должен быть утеплён.
  • Уровень жидкости в открытом расширительном резервуаре постоянно будет понижаться, в следствие его испарения в окружающую среду. В результате могут появиться воздушные пробки, понижающие работоспособность сети. Именно поэтому необходимо постоянно следить за его уровнем.
  • Так как система открыта для испарения теплоносителя в окружающую среду, то для безопасности стоит использовать только воду (для примера: испарения антифриза токсичны).
  • Укладку трубопровода стоит делать с небольшим количеством поворотов и с минимумом соединительных элементов.
  • В зимнее время, при отключении системы, воду из неё стоит слить. Для предотвращения поломок.

Эффект бабочки

В 1814 году Пьер-Симон Лаплас предложил мысленный эксперимент, заключающийся в существовании разумного существа, способного воспринять положение и скорость каждой частицы вселенной и знающего все законы мира. Вопрос заключался в теоретической способности такого существа предсказывать будущее вселенной.

Данный эксперимент вызвал множество споров в научных кругах. Ученые, вдохновленные прогрессом в вычислительной математике, склонялись к положительному ответу на данный вопрос.

Да, мы знаем, что принцип квантовой неопределенности исключает существование такого демона даже в теории, и предсказание положения всех частиц в мире принципиально невозможно. Но возможно ли оно в более простых детерминированных системах?

Действительно, если мы знаем состояние системы и правила, по которым они изменяются, что мешает нам вычислить следующее состояние? Нашей единственной проблемой может стать ограниченное количество памяти (мы можем хранить числа с ограниченной точностью), но все вычисления в мире так и работают, поэтому это не должно стать проблемой.

На самом деле нет.

В 1960 году Эдвард Лоренц создал упрощенную модель погоды, состоящую из нескольких параметров (температура, скорость ветра, давление) и законов, по которым из текущего состояния получается состояние в следующий момент времени, представляющих набор дифференциальных уравнений.

a = 10

b = 28

c = 8/3

dt = 0,001

x0 = 3,051522

y0 = 1,582542

z 0 = 15,623880

xn+1 = xn + a(-xn + yn)dt

yn+1 = yn + (bxn — yn — znxn)dt

zn+1 = zn + (-czn + xnyn)dt

Он вычислял значения параметров, выводил их на монитор и строил графики. Получалось что-то вроде этого (график для одной переменной):

После этого Лоренц решил перестроить график, взяв некоторую промежуточную точку. Логично, что график получился бы абсолютно таким же, так как начальное состояние и правила перехода никак не изменились. Однако когда он это сделал, получилось нечто неожиданное. На графике ниже синяя линия отвечает за новый набор параметров.

То есть вначале оба графика идут очень близко, различий почти нет, но затем новая траектория все более отдаляется от старой, начиная вести себя по-другому.

Как выяснилось, причина парадокса крылась в том, что в памяти компьютера все данные хранились с точностью до шестого знака после запятой, а выводились с точностью до третьего. То есть микроскопическое изменение параметра привело к огромному различию в траекториях системы.

Это была первая детерминированная система, обладающая таким свойством. Эдвард Лоренц дал ей название «Эффект бабочки».

Этот пример показывает нам, что иногда события, кажущиеся нам неважными, в конечном итоге имеют огромное воздействие на исходы. Поведение таких систем невозможно предсказать, но они и не являются хаотическим в прямом смысле этого слова, ведь они детерминированы.

Более того, траектории данной системы обладают структурой. В трехмерном пространстве множество всех траекторий выглядит так:

Что символично, оно похоже на бабочку.

Что такое закрытая система

Закрытая система — это система, в которой можно обмениваться только энергией, но не материей. Материя не может быть обменена в замкнутой системе, потому что материя содержит частицы, которые не могут пересечь границу системы. Но энергия проходит через эту границу в виде фотонов, потому что энергия не является частицей. Следовательно, в замкнутой системе масса остается постоянной, поскольку вещество не может быть удалено или добавлено. Но энергия может передаваться главным образом в виде тепла или тепловой энергии.

Например, если накрыть крышкой теплую чашку с водой, то пар не может выйти из системы из-за крышки. Молекулы газа в воздухе также не могут попасть в чашку из-за крышки. Таким образом, нет обмена веществом. Но если мы коснемся крышки через некоторое время, мы можем почувствовать, что она теплая. Чашка также будет чувствовать тепло; это указывает на то, что энергия выходит наружу как тепловая энергия. Если в течение длительного времени эту систему поддерживают при нормальной температуре, можно заметить, что чашка, крышка или вода больше не являются теплыми. Это связано с тем, что система делит тепловую энергию с окружающей средой до тех пор, пока температура системы не станет равной температуре окружающей среды. Это называется равновесием.

Рисунок 2: Крытый горшок является примером закрытой системы, поскольку он не может обмениваться веществом с окружающей средой из-за крышки.

Отличия открытой и закрытой системы отопления

Имеются следующие отличительные особенности систем открытого и закрытого отопления:

По месту размещения расширительного бака.В открытой системе отопления бак располагают в наивысшем месте системы, а в закрытой системе расширительный бак можно устанавливать в любом месте, даже рядом с котлом.
Закрытая система отопления изолирована от атмосферных потоков, что препятствует попаданию воздуха. Это увеличивает срок службы. За счёт создания дополнительного давления в верхних узлах системы снижается возможность образования воздушных пробок в радиаторах, расположенных сверху.
В открытой системе отопления используются трубы с большим диаметром, что создаёт неудобства, также монтаж труб осуществляется под наклоном для обеспечения циркуляции. Не всегда имеется возможность скрыть толстостенные трубы

Для обеспечения всех правил гидравлики необходимо учитывать уклоны распределения потоков, высоту подъёма, повороты, заужения, подключение к радиаторам.
В закрытой системе отопления используются трубы меньшего диаметра, что удешевляет конструкцию.
Также в закрытой системе отопления важно правильно установить насос, что позволит избежать шума.

Преимущества открытой системы отопления

  • простое обслуживание системы;
  • отсутствие насоса обеспечивает бесшумную работу;
  • равномерный прогрев отапливаемого помещения;
  • быстрый пуск и остановка системы;
  • независимость от электроснабжения, если в доме не будет электричества, то система будет работоспособна;
  • высокая надёжность;
  • не требуется особых навыков для установки системы, в первую очередь устанавливается котёл, мощность котла будет зависеть от отапливаемой площади.

Недостатки открытой системы отопления

  • возможность уменьшения срока эксплуатации системы при попадании воздуха, так как уменьшается теплопередача, в результате чего появляется коррозия, нарушается циркуляция воды, образуются воздушные пробки;
  • воздух, содержащийся в открытой системе отопления, может вызывать кавитацию, при которой разрушаются элементы системы, находящиеся в кавитационной зоне, такие, как арматура, поверхности труб;
  • возможность замерзания теплоносителя в расширительном баке;
  • медленный нагрев системы после включения;
  • необходим постоянный контроль уровня теплоносителя в расширительном баке для исключения испарения;
  • невозможность использования антифриза в качестве теплоносителя;
  • достаточна громоздка;
  • низкий коэффициент полезного действия.

Преимущества закрытой системы отопления

  • простой монтаж;
  • нет необходимости постоянно контролировать уровень теплоносителя;
  • возможность применения антифриза, не боясь размораживания системы отопления;
  • путём увеличения или уменьшения количества теплоносителя, подаваемого в систему, можно регулировать температуру в помещении;
  • из-за отсутствия испарения воды снижается необходимость её подпитывать из внешних источников;
  • самостоятельное регулирование давления;
  • система экономичная и технологичная, имеет более длительный срок эксплуатации;
  • возможность подключения к закрытой системе отопления дополнительных источников отопления.

Недостатки закрытой системы отопления

  • самый главный недостаток — зависимость системы от наличия постоянного электроснабжения;
  • при работе насоса требуется электричество;
  • для аварийного электроснабжения рекомендуется приобрести небольшой генератор;
  • при нарушении герметичности стыков возможно попадание воздуха в систему;
  • размеры расширительных мембранных баков в закрытых помещениях большой площади;
  • бак заполняется жидкостью на 60−30%, наименьший процент заполнения приходится на большие баки, на больших объектах применяются баки с расчётным объёмом в несколько тысяч литров.
  • возникает проблема с размещением таких баков, используются специальные установки, чтобы поддерживать определённое давление.

Каждый, кто собирается установить систему отопления, сам выбирает, какая система проще и надёжнее для него.

Открытую систему отопления, благодаря простоте эксплуатации, большой надёжности, используют для оптимального отапливания небольших помещений. Это могут быть небольшие одноэтажные дачные дома, а также загородные дома.

Закрытая система отопления является более современной и более сложной. Её применяют в многоэтажных домах и коттеджах.

Эмерджентность

Томас Шеллинг, американский экономист, рассматривал карты распределения расовых классов в различных городах Америки, и наблюдал следующую картину:

Это карта Чикаго и здесь разными цветами изображены места проживания людей различных национальностей. То есть в Чикаго, как и в других городах Америки, присутствует довольно сильная расовая сегрегация.

Какие выводы мы можем из этого сделать? Первыми в голову приходят: люди нетолерантны, люди не принимают и не хотят жить с людьми, которые отличаются от них. Но так ли это?

Томас Шеллинг предложил следующую модель. Представим город в виде клетчатого квадрата, в клетках живут люди двух цветов (красные и синие).

Тогда почти у каждого человека из этого города есть 8 соседей. Выглядит это как-то так:

При этом если у человека меньше 25% соседей того же цвета, то он случайным образом переезжает в другую клетку. И так продолжается до тех пор, пока каждого жителя не устраивает его положение. Жителей этого города совсем нельзя назвать нетолерантными, ведь им нужно всего лишь 25% людей таких же как они. В нашем мире их назвали бы святыми, настоящим примером терпимости.

Однако если запустить процесс переездов, то из случайного расположения жителей выше, мы получим следующую картину:

То есть мы получим расово сегрегированный город. Если же вместо 25%, каждый житель будет хотеть хотя бы половину соседей таких же как он, то мы получим практически полную сегрегацию.

При этом данная модель не учитывает такие вещи, как наличие локальных храмов, магазинов с национальной утварью и так далее, которые также увеличивают сегрегацию.

Мы привыкли объяснять свойства системы свойствами ее элементов и наоборот. Однако для сложных систем это зачастую приводит нас к неверным выводам, ведь, как мы видели, поведение системы на микро и макро уровнях может быть противоположным. Поэтому зачастую спустившись на микро уровень, мы стараемся сделать как лучше, а получается как всегда.

Такое свойство системы, когда целое не может быть объяснено суммой элементов, называется эмерджентностью.

Что такое открытая система

Открытая система может быть определена как система, которая может обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Например, земля может быть признана открытой системой. В этом случае земля — ​​это система, а пространство — это окружение. Солнечный свет может достигать земной поверхности, и мы можем отправлять ракеты в космос. Солнечный свет и ракета могут быть объяснены как энергия и материя, соответственно.

Обмен веществ между открытой системой и окружающей средой происходит легко. Это также может быть легко объяснено добавлением вещества или удалением вещества. Но обмен энергией немного сложнее, потому что обмен энергией может происходить в разных формах, и во время этого обмена могут происходить разные преобразования. Энергия обменивается как тепло или любая другая форма.

В термодинамическом смысле обмен энергией характеризуется потенциальной энергией, кинетической энергией и тепловой энергией. Потенциальная энергия — это запасенная энергия. Кинетическая энергия — это энергия, переносимая объектом во время движения. Однако энергия системы всегда существует в одном из этих трех состояний или в двух состояниях одновременно. Например, стационарный объект может обмениваться теплом с окружающей средой. Тогда он имеет как потенциальную, так и тепловую энергию. Энергия может быть обменена или передана как потенциальная энергия или кинетическая энергия. Но иногда потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию, или может произойти обратное. Тепловая энергия или тепло также обмениваются между открытыми системами и их окружением.

Из-за способности обмениваться веществом между открытой системой и окружающей средой, внутренняя масса открытой системы изменяется со временем. Если вещество будет добавлено, масса увеличится, а если вещество будет удалено, масса уменьшится.

Рисунок 1: Так как кружка не покрыта, можно обменяться энергией и веществом с окружающей средой. Таким образом, это открытая система.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации