耗散結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介(精)

1、耗散結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介1自組織現(xiàn)象熱力學(xué)第二定律說(shuō)明了孤立系統(tǒng)中進(jìn)行的自然過(guò)程有方向性：有序一無(wú)序(退化，克勞修斯提出)自然界實(shí)際上也存在許多相反的過(guò)程：無(wú)序一有序(進(jìn)化，達(dá)爾文提出)一個(gè)系統(tǒng)由無(wú)序變?yōu)橛行虻淖匀滑F(xiàn)象稱為自組織現(xiàn)象。例1:生命過(guò)程中的自組織現(xiàn)象(1)蛋白質(zhì)大分子鏈由幾十種類型的成千上萬(wàn)個(gè)氨基酸分子按一定的規(guī)律 排列起來(lái)組成。大腦是150億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞有規(guī)律排列組成的極精密極有序的系 統(tǒng)，是一切計(jì)算機(jī)所替代不了的。如看一張相片，分辨男？女？大約年齡？ 對(duì)帶有輸入器官眼睛”的大腦是很簡(jiǎn)單的事情，對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)就非常復(fù)雜 了。假定蛋白質(zhì)是隨機(jī)形成的，而且每一種排列有相等的概率，那么即使每秒進(jìn) 行1

2、00次排列，也要經(jīng)過(guò)10109億年才能出現(xiàn)一次特殊的排列。這種有組織的排列決不是隨機(jī)形成的(2)樹葉有規(guī)則的形狀；動(dòng)物毛皮有花紋，蜜蜂窩；龜背(空間有序)(3)候鳥的遷移；中華鋁的徊游(時(shí)間有序)例2、無(wú)生命世界的自組織現(xiàn)象(1)六角形的雪花；(2)魚鱗狀的云；(3)激光(4) 貝納特現(xiàn)象(BenarcD當(dāng)= T2 - T1 = 0時(shí)平衡態(tài)當(dāng)AT 0但不太大時(shí)，穩(wěn)定的非平衡態(tài) 一一單純熱傳導(dǎo)當(dāng) 日 Tc時(shí)，出現(xiàn)有序的宏觀對(duì)流。千千萬(wàn)萬(wàn)的分子被組織起來(lái)，參加 一定方式的宏觀定向運(yùn)動(dòng)，能量得以更有效的傳遞。自組織現(xiàn)象是與熱力學(xué)第二定律的 有序一無(wú)序時(shí)間箭頭相矛盾的！要將它們用物理學(xué)規(guī)律統(tǒng)一起來(lái)，必

3、須抓住孤立系統(tǒng)與開放系統(tǒng)的區(qū)別圖2貝納特現(xiàn)象T：TiTiT：I J I 100 0ATTc有序?qū)α饕粏T納特現(xiàn)象2、開放系統(tǒng)的嫡變熱力學(xué)第二定律：孤立系統(tǒng)中發(fā)生的過(guò)程 匿 0;但對(duì)一個(gè)開放系統(tǒng)，嫡 有可能減少！開放系統(tǒng)：與外界有能量交換（通過(guò)作功、傳熱）或物質(zhì)交換的系統(tǒng)。2、1理論上的可逆過(guò)程狀態(tài)1到狀態(tài)2嫡的增量AS = /也（可逆）1 T對(duì)孤立系統(tǒng)：因絕熱曲=0,嫡不變對(duì)開放系統(tǒng)：若單調(diào)吸熱 dQ 0, AS 0嫡增加；若單調(diào)放熱dQ 0,翦 0 嫡減少。2、2對(duì)實(shí)際的不可逆過(guò)程（上式不能用?。├每ㄖZ定理可以證明四（2也（迪T1 T1 T（可逆）（不可逆）（不可逆）證明：（1）考慮工作在T

4、1、T2兩個(gè)熱源間的不可逆熱機(jī)，它的效率小于可逆熱 機(jī)（即卡諾熱機(jī)）的效率：不可逆可逆不可逆=1_Q2 /Qi =1+Q2/Qi （Q2 0）可逆=1丁2/1J.1+Q2/Q1 1-T2/T1即：Q1 /T1 +Q2/T 0所以該不可逆熱機(jī)的熱溫比之和小于零。（2）再考慮任意的不可逆循環(huán)，將它與無(wú)數(shù)個(gè)熱源交換熱量，可以得到：斤/0（克勞修斯不等式）上T（不可逆）（3）最后考慮如圖3所示的不可逆循環(huán)過(guò)程：圖8不可逆可壞斤當(dāng)=/四+/也=/ （2也 0嫡增加對(duì)開放系統(tǒng)：若吸熱dQ 0 , 6 正數(shù) 嫡增加若放熱dQ 負(fù)數(shù)三種可能：曲為正嫡增加； AS為零嫡不變； 曲為負(fù)嫡減少 所以，對(duì)于開放系統(tǒng)（

5、不論可逆或不可逆）嫡是可以減少的. 通常引入負(fù)嫡流”的概念：一個(gè)系統(tǒng)嫡的變化：由系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)程引起的diS 0與系統(tǒng)外部交換物質(zhì)或能量引起的 deS 0稱為嫡流”（可正可負(fù)）整個(gè)系統(tǒng)的嫡變即為dS = diS + deS若deS dS ,則dS T2 ,. | dQ | / T i 0 （但較?。┑那樾?。還不可能發(fā)生自組織的現(xiàn)象。非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)（遠(yuǎn)離平衡態(tài)熱力學(xué)）外界的影響強(qiáng)烈，它引起系統(tǒng)狀態(tài)的變化已不能看成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，有其特有的規(guī)律。例如貝納特實(shí)驗(yàn)中 AT ZTc時(shí)的情形。這時(shí)，就有可能出現(xiàn)自組 織現(xiàn)象。圖4表示上述情況，其中 人為外界對(duì)系統(tǒng)的控制參數(shù)，對(duì)貝納特實(shí)驗(yàn)九一 T%一 T

6、= 0九 一 T TcX定態(tài)嗡定的耗散結(jié)構(gòu)分支/ I/X遠(yuǎn)離平衡的不穩(wěn)定態(tài)M ”4喧 I（平衡態(tài)）七*非平衡的稔;E怒穩(wěn)定的耗散結(jié)構(gòu)分支1工、A I（外界對(duì)系統(tǒng)的控制參數(shù)）圖4 :種熱力學(xué)|遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。分叉現(xiàn)象：非平衡的不穩(wěn)定態(tài)在一個(gè)細(xì)小的擾動(dòng)下， 就可以引起系統(tǒng)狀態(tài)的突變，狀態(tài) 離開（b）線沿著另外兩個(gè)穩(wěn)定的分叉（c）,或（c）發(fā)展，這稱為分叉現(xiàn)象。 分級(jí)分叉：當(dāng)控制參數(shù)進(jìn)一步增大時(shí)，各穩(wěn)定的分支又會(huì)變得不穩(wěn)定，從而出現(xiàn)二級(jí)分 叉或更高級(jí)分叉。如圖 5所示?；煦绗F(xiàn)象：對(duì)于一個(gè)較大的人由于存在非常多種可能的耗散結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)究竟處于哪一種耗散結(jié)構(gòu)完全無(wú)法預(yù)知，這稱為混沌現(xiàn)象（圖5）。

7、由于每一次分叉都會(huì)賦予系統(tǒng)一定的性質(zhì)和功能，最后系統(tǒng)就有了較復(fù)雜的性質(zhì)和功能（生物的進(jìn)化樹?。┰谪惣{特實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)日很大而且繼續(xù)加大時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)多種花紋的更替，最終走向混沌和湍流4、耗散結(jié)構(gòu)分叉(c )或(c)上，每一個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著某種時(shí)空有序的概念。開放系統(tǒng) 在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)稱為耗散。對(duì)稱性的碳缺：在分叉點(diǎn)以前，系統(tǒng)是平衡態(tài)或近平衡態(tài)，在時(shí)間、空間上比較均勻?qū)ΨQ； 在分叉點(diǎn)以后，系統(tǒng)處于耗散結(jié)構(gòu)狀態(tài)，破壞了原的對(duì)稱性，這稱為對(duì)稱性的破 缺。產(chǎn)生某種對(duì)稱性破缺的直接原因是漲落。1969年，比利時(shí)科學(xué)家普里高津(Prigogine)提出耗散結(jié)構(gòu)論，1977年獲 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。5、通過(guò)漲落

8、達(dá)到有序形成一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)必須有以下五個(gè)條件：(1)開放系統(tǒng)(2)遠(yuǎn)離平衡態(tài)(3)漲落突變(4)正反饋(5)非線性抑制因素假設(shè)某個(gè)平衡態(tài)某時(shí)刻有如圖6所示的 漲落(漲落點(diǎn)是存在的)，為簡(jiǎn)單起見假設(shè) 它是一個(gè)復(fù)雜的波形(圖 6上圖)。可以認(rèn)為它由許多不同頻率的正弦波按一定比例疊加而成。 (付立葉分析) 每一正弦分量稱為一種漲落分量。 在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的區(qū)域，漲落可以使系統(tǒng)的狀態(tài) 發(fā)生突變。隨著外界控制條件的變化，有的漲落分量很快衰減掉，有的漲落分量卻得到 放大，放大到了宏觀尺度，就使系統(tǒng)進(jìn)入某種有序狀態(tài)。某種醫(yī)學(xué)理論認(rèn)為，病人服務(wù)或注射某些藥物，重要的不是起補(bǔ)償作用，而 是造成一種漲落。人體中有不少

9、ATP （三磷酸腺甘），但是冠心病人每次只要注射 20mg ATP 就有明顯療效。它是引起某種漲落，通過(guò)漲落使病人向健康人轉(zhuǎn)化，建立一種新 的有序狀態(tài)。白蟻建窩是自組織現(xiàn)象，有的筑得很大，且有立柱，有拱券。建筑過(guò)程中， 有漲落，也有正反饋，也有非線性抑制因素。激光器出激光，要輸入足夠功率（開放系統(tǒng)）才能造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)（遠(yuǎn) 離平衡態(tài)）。當(dāng)能量hv = E2 - Ei的一個(gè)光子入射時(shí)（漲落）引起受激輻射光放 大，出來(lái)兩個(gè)全同光子。不是所有漲落都能得到足夠放大， 只有沿軸線方向的光 子才行。1 一 2 一 4 8（正反饋）但激光的強(qiáng)度不會(huì)無(wú)限增大下去，在 光強(qiáng)增大，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的程度會(huì)減弱 它相應(yīng)地使受激輻射的光強(qiáng)減?。ǚ?線性抑制因素）。圖7粒f數(shù)反轉(zhuǎn)、爻溫將見激光輸出全反射鏡部分反射鏡圖X激光器反饋機(jī)抑M因素一個(gè)城市的形成與發(fā)展也是符合以上五個(gè)條件（略）6、結(jié)束語(yǔ)耗散結(jié)構(gòu)理論近年來(lái)有很大的發(fā)展，而且在實(shí)踐中已經(jīng)應(yīng)用 美國(guó)有人研究東西部人口的空間分布規(guī)律； 加拿大有人研究捕魚的最佳方案。荷蘭有人研究能源的