کاربرد تئوری آشوب در مهندسی شیمی

۶ خرداد ۱۳۹۱ | نوشته‌شده به دست عادل شجاعی در آموزش، دانش و فن‌آوری

مقاله ای با عنوان “تئوری آشوب در مهندسی شیمی” برای سالنامه مهندسی شیمی فروزان  نوشته بودم که امروز منتشر شد. متن کامل مقاله رو برای دوستان عزیز در همین وبلاگ قرار می دهم. ممکن است اواخر مطلب برای دوستانی که مهندسی شیمی و یا با رفتار راکتورهای شیمیایی آشنایی ندارند، ناآشنا باشد اما خواندن چند پاراگراف اول خالی از لطف نیست.  ضمنا مایلم نظر دوستان عزیز را در مورد فونت های به کار رفته در این نوشته نسبت به فونت های سایر مطالب وبلاگ بدانم.


آشوب چیست؟

اگر فقط ذره ای در هر سوی این بازه جابجا شوید همه چیز به بی نهایت میرود! یک بار به هم خوردن بال های یک پروانه کافیست تا شما با یک رفتار آشوبگونه روبرو شوید. این رفتار به آرامی به آشوب گونگی میل نمی کند بلکه سیستم از نقطه ای ناگهان به سمت بی نهایت می رود .آیا در طبیعت پدیده ای مثلا دانه های برف یا کریستال ها یا برگی برخی درختان وجود دارد که در قالب ابعاد کلاسیک طبیعت که تا به امروز می شناختیم نگنجد؟ پدیده هایی مثل برگ درختان  دارای ویژگی جالبی به نام خود متشابهی هستند به این معنا که شکل کلی شان از قسمت هایی تشکیل شده است که هرکدام به شدت شبیه به این شکل کلی هستند. ایده اصلی آشوب تعریف رفتار سیستمهای مشخصی است که شدیدا به شرایط اولیه شان حساسند. ادوارد لورنتز در دهه ۶۰ میلادی اعلام کرد که معادلات دیفرانسیل می توانند خاصیت فوق را داشته باشند. این ویژگی اثر پروانه ای نام گرفت.

شروع نظریه آشوب:

مطالعه در مورد این مبحث در حقیقت از مطالعات هواشناسی شروع شد. چندی از دانشمندان هواشناسی مشغول مطالعه در مورد شرایط جوی و تاثیر موارد مختلف بر هوای جهان و منطقه داشتند. آنان به مدت دو سال مشغول مطالعه هوای یک منطقه خاص دارای آب و هوای نسبتا بی تغییر و کاملا معتدل بودند و تمامی تغییرات را ثبت می کردند. یک دستگاه ثبت نمودار تغییرات جوی هر روز راس ساعت شش صبح روشن می شد و نمودار تغییرات را تا شش بعد از ظهر ثبت می کرد. اما در پاییز سال دوم ناگهان نمودار این تغییرات به طرز عجیبی عوض شد. یعنی نموداری مغشوش به ثبت رسید که نشانه بروز تغییرات شدید جوی بود، اما آن چه به چشم دیده می شد هیچ تغییری مشاهده نمی کرد. دانشمندان شروع به مطالعه در این مورد کردند تا دلیل این تغییر را دریابند اما متوجه هیچ چیز نشدند. پس از پاییز، همه چیز دوباره عادی شد. این امر آنان را بر آن داشت تا یک سال دیگر مطالعات خود را در آن محل ادامه دهند. در پاییز سال بعد آنها همه چیز را تحت نظر داشتند. در این سال نتیجه مشاهدات خود را پیدا کردند. در نزدیکی آن محل دریاچه ای بود که گروهی از پرندگان مهاجر در پاییز به آنجا می رفتند. آن چه باعث تغییر شدید در نمودار می شد همین پرندگان بودند. پرواز دسته جمعی این پرندگان باعث می شد تا حرکت بال های آنان فشاری بر جو بیاورد و این فشار به مولکول های کناری هوا منتقلمی شد و نهایتا به سنسور ثبت نمودار دستگاه می رسید. یکی از دانشمندان کنجکاو در پی آن شد که متوجه شود اگر این پرندگان آنجا نبودند چه می شد. وی با استفاده از یک برنامه کامپیوتری موقعیت منطقه را شبیه سازی کرد و برنامه را یکبار با حضور پرندگان و یکبار بدون حضور آنان اجرا کرد. هنگامی که پرندگان وجود داشتند کامپیوتر شرایط را دقیقا همان طور که در واقعیت بود نشان داد. اما بدون حضور پرندگان طوفانی بزرگ در منطقه شکل می گرفت که باعث تخریب تقریبا ۱۲ هکتار از آن منطقه می شد. در حقیقت پر زدن آن پرندگان باعث می شد که شرایط شکل گیری این طوفان پیش نیایند
پس از مطالعات جدی تر و عمیق تر و شبیه سازی جو جهان آنان به نتیجه ای رسیدند که مهم ترین شعار نظریه آشوب نام گرفت : پروانه ای در آفریقا بال می زند و گردبادی در آمریکای جنوبی شکل می گیرد.
فشاری که بال زدن آن پروانه بر اتمسفر می آورد شاید بسیار ناچیز باشد، اما فرایند تشدید باعث می شود که این فشار ناچیز و اندک به مرور و پس از طی مسافتی تبدیل به یک طوفان عظیم شود.
این نظریه در ابتدا تنها یک نظریه بود. اما مطالعات بعدی آن را به یک تئوری تبدیل کرد. مطالعات بیشتر آن را به حد علم نیز رساندند.. چرا که یکی از اصولی که این علم بیان می کند این است که هیچ چیز قابل پیش بینی نیست. به دلیل این که حیات راه خود را خواهد یافت. حتی اگر با دقت بسیار زیاد شرایط را کنترل کنیم، به این دلیل که خود ما نیز جزئی از مساله هستیم، دچار اشتباه خواهیم شد.

تئوری آشوب در مهندسی شیمی:

تئوری آشوب و دوشاخه شدن به عنوان موضوعات علمی نسبتا نوین، نقش ویژه ای در مدل سازی سیستم های با دینامیک پیچیده دارد. چنین سیستم هایی در رشته های مهندسی به ویژه مهندسی شیمی به چشم می خورند. بررسی سیستم های درهم، پدیده های انتقال در سیستم های بستر سیال شده، پارامتر های موثر در لوله های گرمایی، میزان مصرف بهینه در سیستم های غشایی و عملکرد بایو راکتورها و سینیتیک شیمیایی از جمله مواردی هستند که تا کنون تئوری آشوب و دوشاخه شدن در آن ها بررسی شده است.

رفتار آشوبناک در سیستم هایی با دینامیک غیر خطی انجام می گیرد. دینامیک بسیاری از پدیده ها در
زمینه مهندسی شیمی غیر خطی است. از جمله می توان به تغییرات غلظت در واکنش های
شیمیایی، نوسانات سرعت سیال در ظروف هم زده، نوسانات فشار و ضریب تخلخل هنگام
سیاله شدن ذرات جامد در بستر های سیال اشاره کرد.

مشخصه های یک سیستم غیر خطی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

۱٫  فرکانس دایره ای یک سیستم غیر خطی وابسته به دامنه نوسانات است.

۲٫  پایداری یک سیستم غیر خطی به شدت وابسته به شرایط اولیه است.

۳٫  در یک سیستم غیر خطی دامنه نوسانات متناوب ممکن است مستقل از شرایط اولیه باشد.

۴٫ دو شاخه شدن

۵٫  آشوب

یکی از عوامل ایجاد آشوب در سیستم ها دوشاخه شدن است. دوشاخه شدن سبب می شود که که پیش بینی سیستم محدود شده و امکان کنترل پذیری کاهش یابد.

یک بستر سیال را می توان به عنوان یک سیستم آشوبی تعبیر کرد زیرا روابط غیر خطی در این سیستم بین متغیرهای سیستم حاکم است. به همین دلیل این سیستم  به تغییرات کوچک در شرایط اولیه حساس است و از این رو توسط پارامتر محدود پیش بینی شده مشخص می شوند.

به عنوان مثال در سیستم های دارای جریان برگشتی به دلیل آشفتگی ناشی از جریان برگشتی در سیستم، دوشاخه شدن و در نتیجه عدم قطعیت در مورد یافتن نسبت برگشتی بهینه  رخ می دهد که باید این رفتار آشوب گرانه را در نظر گرفت.

امید می رود که در آینده چشم اندازهای بهتری از تئوری آشوب  را در پیش بینی رفتار سیستم های پیچیده غیر خطیو رسیدن به نتایج دقیق و مطمئن تر شاهد باشیم.

منابع:

۱٫  تئوری آشوب، دوشاخه شدن و کاربردشان در مهندسی شیمی. کمالی، ملا عباسی و موسوی

۲٫  مدل سازی و کنترل یک  راکتور آشوبناک؛ رسولیان، شاهرخی، سالاریه

۳٫ Control of chaos  Methods and applications in engineering

۴٫ Chaos and chemical reactor models

۵٫ Application of chaos analysis to multiphase reactors

۶٫ www.shegeftiha.com

۷٫ www.philosophy.ir

۸٫ www.aftabir.com

شما می‌توانید ما را دنبال کنید از خوراک RSS 2.0 و یا پاسخ بگذارید در صورت تمایل، بازتاب بفرستید.

پاسخ بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

شما می‌توانید از این دستورات HTML استفاده کنید: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>