大學(xué)物理：第10章熵概念的推廣課件

1一.熵與能量熱律：能量守恒熱律：能量轉(zhuǎn)化能力有序無(wú)序能力強(qiáng)能力弱有序到無(wú)序能量轉(zhuǎn)化過(guò)程不可逆一部分能量不能再作功

--能量退化

*§4熵概念的推廣1一.熵與能量有序無(wú)序能力強(qiáng)能力弱有序到無(wú)序能量轉(zhuǎn)化過(guò)程不可2對(duì)熱律深入認(rèn)識(shí)A)能量退化角度認(rèn)識(shí)孤立系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的自發(fā)過(guò)程必然導(dǎo)致能量的退化B)熵的角度認(rèn)識(shí)孤立系統(tǒng)…導(dǎo)致熵的增加熵是能量不可用程度的量度能量危機(jī)就是熵的危機(jī)2對(duì)熱律深入認(rèn)識(shí)B)熵的角度認(rèn)識(shí)熵是能量不可用程度的量度3二.熵與時(shí)間1.時(shí)間反演的對(duì)稱(chēng)性物理學(xué)中很多領(lǐng)域時(shí)間本質(zhì)上都在描述可逆過(guò)程從現(xiàn)在可知過(guò)去也可知道未來(lái)2.自然界存在的基本不對(duì)稱(chēng)性熱現(xiàn)象不具有時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性3二.熵與時(shí)間4

數(shù)學(xué)家史蒂芬指出：至少存在三個(gè)時(shí)間箭頭將過(guò)去和將來(lái)分開(kāi)三個(gè)箭頭所指方向一致熱力學(xué)箭頭無(wú)序度增加的時(shí)間方向只能記住過(guò)去心理學(xué)箭頭宇宙膨脹宇宙學(xué)箭頭4數(shù)學(xué)家史蒂芬指出：三個(gè)箭頭所指方向一致熱力學(xué)箭頭5三.熵與信息香農(nóng)：信息是事物肯定程度的量度熵增等于信息的減少信息與負(fù)熵等效信息熵對(duì)某種事物作出完全判斷所缺的信息量信息的獲得意味著各種可能性中概率分布的集中5三.熵與信息信息熵對(duì)某種事物作出完全判斷所缺的信息量信息6四.熵與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展環(huán)保6四.熵與社會(huì)71.問(wèn)題的提出

1)按克勞修斯熱力學(xué)理論退化孤立系統(tǒng)朝均勻簡(jiǎn)單消除差異的方向發(fā)展初態(tài)→末態(tài)有序→無(wú)序非平衡→平衡熵增加能量退化

五.熵與生命開(kāi)放系統(tǒng)熱力學(xué)第二律的普遍形式71.問(wèn)題的提出退化孤立系統(tǒng)朝均勻簡(jiǎn)單消除差異的方向發(fā)展82）按達(dá)爾文進(jìn)化論生物由單細(xì)胞人進(jìn)化(極為有序)越來(lái)越復(fù)雜越來(lái)越有序(熵減少)82）按達(dá)爾文進(jìn)化論生物由單細(xì)胞人進(jìn)化(極為有序)越來(lái)越復(fù)雜92.自組織現(xiàn)象1）現(xiàn)象在一定外界條件下系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)地由無(wú)序有序的現(xiàn)象無(wú)生命和有生命世界都有自組織現(xiàn)象(變?yōu)橛行?(蜂窩毛皮花紋)空間有序時(shí)間有序(候鳥(niǎo)遷徙)92.自組織現(xiàn)象在一定外界條件下系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)生命和有生命世102）耗散結(jié)構(gòu)-----自組織形成的有序結(jié)構(gòu)自組織現(xiàn)象是自發(fā)進(jìn)行的但需外界提供觸發(fā)條件耗散外界的能量質(zhì)量102）耗散結(jié)構(gòu)-----自組織形成的有序結(jié)構(gòu)自組織現(xiàn)象是自113.開(kāi)放系統(tǒng)熱力學(xué)第二律的普遍形式1.）孤立系統(tǒng)自發(fā)過(guò)程：有序無(wú)序內(nèi)部不可逆過(guò)程引起的熵變-----熵產(chǎn)生diS由熵增加原理外界孤立系統(tǒng)diS(和外界無(wú)能量和物質(zhì)的交換)113.開(kāi)放系統(tǒng)熱力學(xué)第二律的普遍形式1.）孤立系統(tǒng)122）開(kāi)放系統(tǒng)(和外界有能量和物質(zhì)的交換)熵變diS(系統(tǒng)熵產(chǎn)生)deS(與外界交換能量和物質(zhì)引起的熵變)

----熵流

deS可<0(負(fù)熵流)=0>0(正熵流)外界系統(tǒng)diSdeS實(shí)現(xiàn)自組織現(xiàn)象系統(tǒng)必須開(kāi)放122）開(kāi)放系統(tǒng)(和外界有能量和物質(zhì)的交換)熵變diS13開(kāi)放系統(tǒng)總熵變：(1)若deS<0(負(fù)熵流)且|deS|>diS(0)則dS=diS+deS<0則dS=diS+deS>0(2)若deS

>0(正熵流)系統(tǒng)更混亂負(fù)熵流可使開(kāi)放系統(tǒng)熵減少變得更有序?qū)崿F(xiàn)自組織若為正熵流則系統(tǒng)不會(huì)實(shí)現(xiàn)自組織13開(kāi)放系統(tǒng)總熵變：(1)若deS<0(負(fù)熵流)且|14∴3）熱二律的普遍形式開(kāi)放系統(tǒng)經(jīng)歷任何過(guò)程系統(tǒng)的總熵變永不小于熵流要求

>014∴3）熱二律的普遍形式開(kāi)放系統(tǒng)經(jīng)歷任何過(guò)程要求15開(kāi)放系統(tǒng)自外界吸取能量即輸入負(fù)熵對(duì)孤立系統(tǒng)deS=0開(kāi)放系統(tǒng)的熵可增可減dS=diS

0(回到原來(lái)的熱二律)15開(kāi)放系統(tǒng)自外界吸取能量即輸入負(fù)熵對(duì)孤立系統(tǒng)d16普里高津(I.Prigoging比利時(shí))1967年提出耗散結(jié)構(gòu)1977年獲NobelPrize(化學(xué)〕4.生命過(guò)程耗散結(jié)構(gòu)打開(kāi)從物理科學(xué)

生命科學(xué)的窗口16普里高津(I.Prigoging比利時(shí))1967年17生命過(guò)程---耗散過(guò)程熱平衡----死亡薛定諤：生命是什么?“生命之所以能存在，就在于從環(huán)境中不斷得到‘負(fù)熵’”高熵---混亂

要活著---身體保持低熵狀態(tài)“有機(jī)體是依賴(lài)負(fù)熵為生的”----生命的熱力學(xué)基礎(chǔ)17生命過(guò)程---耗散過(guò)程熱平衡----死亡薛定諤：生命18(碳水化合物凈水)

物質(zhì)(化學(xué)能)能量負(fù)熵(CO2污水排泄物等)

物質(zhì)能量(功熱)正熵有機(jī)體開(kāi)放系統(tǒng)18(碳水化合物凈水)(化學(xué)能)能量負(fù)熵(CO219必須是開(kāi)放系統(tǒng)維持低熵狀態(tài)低熵高能食物----如碳水化合物低熵低能食物----凈水動(dòng)物要吃低熵食物有機(jī)物和周?chē)h(huán)境有物質(zhì)和能量交換小結(jié)：攝入低熵物質(zhì)排出高熵物質(zhì)將來(lái)食品是否應(yīng)標(biāo)注:低熵還是高熵?19必須是開(kāi)放系統(tǒng)維持低熵狀態(tài)低熵高能食物----如20一.熵與能量熱律：能量守恒熱律：能量轉(zhuǎn)化能力有序無(wú)序能力強(qiáng)能力弱有序到無(wú)序能量轉(zhuǎn)化過(guò)程不可逆一部分能量不能再作功

--能量退化

*§4熵概念的推廣1一.熵與能量有序無(wú)序能力強(qiáng)能力弱有序到無(wú)序能量轉(zhuǎn)化過(guò)程不可21對(duì)熱律深入認(rèn)識(shí)A)能量退化角度認(rèn)識(shí)孤立系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的自發(fā)過(guò)程必然導(dǎo)致能量的退化B)熵的角度認(rèn)識(shí)孤立系統(tǒng)…導(dǎo)致熵的增加熵是能量不可用程度的量度能量危機(jī)就是熵的危機(jī)2對(duì)熱律深入認(rèn)識(shí)B)熵的角度認(rèn)識(shí)熵是能量不可用程度的量度22二.熵與時(shí)間1.時(shí)間反演的對(duì)稱(chēng)性物理學(xué)中很多領(lǐng)域時(shí)間本質(zhì)上都在描述可逆過(guò)程從現(xiàn)在可知過(guò)去也可知道未來(lái)2.自然界存在的基本不對(duì)稱(chēng)性熱現(xiàn)象不具有時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性3二.熵與時(shí)間23

數(shù)學(xué)家史蒂芬指出：至少存在三個(gè)時(shí)間箭頭將過(guò)去和將來(lái)分開(kāi)三個(gè)箭頭所指方向一致熱力學(xué)箭頭無(wú)序度增加的時(shí)間方向只能記住過(guò)去心理學(xué)箭頭宇宙膨脹宇宙學(xué)箭頭4數(shù)學(xué)家史蒂芬指出：三個(gè)箭頭所指方向一致熱力學(xué)箭頭24三.熵與信息香農(nóng)：信息是事物肯定程度的量度熵增等于信息的減少信息與負(fù)熵等效信息熵對(duì)某種事物作出完全判斷所缺的信息量信息的獲得意味著各種可能性中概率分布的集中5三.熵與信息信息熵對(duì)某種事物作出完全判斷所缺的信息量信息25四.熵與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展環(huán)保6四.熵與社會(huì)261.問(wèn)題的提出

1)按克勞修斯熱力學(xué)理論退化孤立系統(tǒng)朝均勻簡(jiǎn)單消除差異的方向發(fā)展初態(tài)→末態(tài)有序→無(wú)序非平衡→平衡熵增加能量退化

五.熵與生命開(kāi)放系統(tǒng)熱力學(xué)第二律的普遍形式71.問(wèn)題的提出退化孤立系統(tǒng)朝均勻簡(jiǎn)單消除差異的方向發(fā)展272）按達(dá)爾文進(jìn)化論生物由單細(xì)胞人進(jìn)化(極為有序)越來(lái)越復(fù)雜越來(lái)越有序(熵減少)82）按達(dá)爾文進(jìn)化論生物由單細(xì)胞人進(jìn)化(極為有序)越來(lái)越復(fù)雜282.自組織現(xiàn)象1）現(xiàn)象在一定外界條件下系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)地由無(wú)序有序的現(xiàn)象無(wú)生命和有生命世界都有自組織現(xiàn)象(變?yōu)橛行?(蜂窩毛皮花紋)空間有序時(shí)間有序(候鳥(niǎo)遷徙)92.自組織現(xiàn)象在一定外界條件下系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)生命和有生命世292）耗散結(jié)構(gòu)-----自組織形成的有序結(jié)構(gòu)自組織現(xiàn)象是自發(fā)進(jìn)行的但需外界提供觸發(fā)條件耗散外界的能量質(zhì)量102）耗散結(jié)構(gòu)-----自組織形成的有序結(jié)構(gòu)自組織現(xiàn)象是自303.開(kāi)放系統(tǒng)熱力學(xué)第二律的普遍形式1.）孤立系統(tǒng)自發(fā)過(guò)程：有序無(wú)序內(nèi)部不可逆過(guò)程引起的熵變-----熵產(chǎn)生diS由熵增加原理外界孤立系統(tǒng)diS(和外界無(wú)能量和物質(zhì)的交換)113.開(kāi)放系統(tǒng)熱力學(xué)第二律的普遍形式1.）孤立系統(tǒng)312）開(kāi)放系統(tǒng)(和外界有能量和物質(zhì)的交換)熵變diS(系統(tǒng)熵產(chǎn)生)deS(與外界交換能量和物質(zhì)引起的熵變)

----熵流

deS可<0(負(fù)熵流)=0>0(正熵流)外界系統(tǒng)diSdeS實(shí)現(xiàn)自組織現(xiàn)象系統(tǒng)必須開(kāi)放122）開(kāi)放系統(tǒng)(和外界有能量和物質(zhì)的交換)熵變diS32開(kāi)放系統(tǒng)總熵變：(1)若deS<0(負(fù)熵流)且|deS|>diS(0)則dS=diS+deS<0則dS=diS+deS>0(2)若deS

>0(正熵流)系統(tǒng)更混亂負(fù)熵流可使開(kāi)放系統(tǒng)熵減少變得更有序?qū)崿F(xiàn)自組織若為正熵流則系統(tǒng)不會(huì)實(shí)現(xiàn)自組織13開(kāi)放系統(tǒng)總熵變：(1)若deS<0(負(fù)熵流)且|33∴3）熱二律的普遍形式開(kāi)放系統(tǒng)經(jīng)歷任何過(guò)程系統(tǒng)的總熵變永不小于熵流要求

>014∴3）熱二律的普遍形式開(kāi)放系統(tǒng)經(jīng)歷任何過(guò)程要求34開(kāi)放系統(tǒng)自外界吸取能量即輸入負(fù)熵對(duì)孤立系統(tǒng)deS=0開(kāi)放系統(tǒng)的熵可增可減dS=diS

0(回到原來(lái)的熱二律)15開(kāi)放系統(tǒng)自外界吸取能量即輸入負(fù)熵對(duì)孤立系統(tǒng)d35普里高津(I.Prigoging比利時(shí))1967年提出耗散結(jié)構(gòu)1977年獲NobelPrize(化學(xué)〕4.生命過(guò)程耗散結(jié)構(gòu)打開(kāi)從物理科學(xué)

生命科學(xué)的窗口16普里高津(I.Prigoging比利時(shí))1967年36生命過(guò)程---耗散過(guò)程熱平衡----死亡薛定諤：生命是什么?“生命之所以能存在，就在于從環(huán)境中不斷得到‘負(fù)熵’”高熵---混亂

要活著---身體保持低熵狀態(tài)“有機(jī)體是依賴(lài)負(fù)熵為生的”----生命的熱力學(xué)基礎(chǔ)17生命過(guò)程---耗散過(guò)程熱平衡----死亡薛定諤：生命37(碳水化合物凈水)

物質(zhì)(化學(xué)能)能量負(fù)熵