熱力學(xué)第二定律-耗散結(jié)構(gòu)-圖文

熱力學(xué)第二定律-耗散結(jié)構(gòu)_圖文.ppt第四章

熱力學(xué)第二定律2*耗散結(jié)構(gòu)介紹耗散結(jié)構(gòu)理論：普利高津（I.Prigoging,比利時(shí))1967年創(chuàng)立,1977年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。自組織現(xiàn)象開(kāi)放系統(tǒng)的熵變遠(yuǎn)離平衡態(tài)的分叉現(xiàn)象通過(guò)漲落達(dá)到有序3有序與無(wú)序熱力學(xué)第二定律說(shuō)明了孤立系統(tǒng)中的自然過(guò)程有方向性：但是，自然界實(shí)際上也存在許多過(guò)程:（退化；克勞修斯）有序無(wú)序無(wú)序有序（進(jìn)化；達(dá)爾文）生命過(guò)程無(wú)序到有序孤立系統(tǒng)有序到無(wú)序4自組織現(xiàn)象（1）無(wú)生命開(kāi)放系統(tǒng)的自組織現(xiàn)象自組織現(xiàn)象：開(kāi)放系統(tǒng)內(nèi)部由無(wú)序變?yōu)橛行颍蛊渲写罅糠肿踊騿卧匆欢ㄒ?guī)律運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象

如六角形的雪花；

魚(yú)鱗狀的云;

激光5無(wú)生命自組織現(xiàn)象貝納爾德（Benard，法蘭西，1900）發(fā)現(xiàn)“水平容器中放一薄層液體，底部均勻緩慢地加熱突然出現(xiàn)規(guī)則的多邊形圖案”>2TT1熱傳導(dǎo)hT12T

當(dāng)T=T1-T2=0

平衡態(tài)當(dāng)T>0,不太大時(shí),穩(wěn)定的非平衡態(tài)當(dāng)T增大到T出現(xiàn)有序的宏觀對(duì)流6貝納爾德對(duì)流7有序?qū)α餍矢?T

1T

2>T

T

1有序?qū)α鱤千千萬(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)，能量得到更有效的傳遞。水管中的沙團(tuán)8激光－時(shí)間自組織能量<某一閾值時(shí)原子發(fā)出光子的頻率和位相無(wú)序能量>某一閾值時(shí)原子“集體一致行動(dòng)”，發(fā)出頻率和位相都相同的光子－產(chǎn)生激光。體系有序。9食物中混亂無(wú)序的原子DNA（RNA）分子－高度有序的結(jié)構(gòu)

DNA—脫氧核糖核酸RNA—核糖核酸DNA具有雙螺旋結(jié)構(gòu)（2）生命過(guò)程的自組織現(xiàn)象10DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)11

蛋白質(zhì)大分子鏈由幾十種類(lèi)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。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100次排列,也要經(jīng)過(guò)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。生命組織不是隨機(jī)過(guò)程的產(chǎn)物12

樹(shù)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)(時(shí)間有序）

候鳥(niǎo)的遷移;中華鱘的徊游------13（3）社會(huì)現(xiàn)象的自組織現(xiàn)象城市的形成和發(fā)展14其中

di

S>0：熵產(chǎn)生，由系統(tǒng)內(nèi)部的不可逆過(guò)程引起。

de

S

：熵流，可正可負(fù)。由系統(tǒng)與外部的能量和物質(zhì)交換引起。dS=di

S+de

S開(kāi)放系統(tǒng)的熵變開(kāi)放系統(tǒng)：與外界有能量和物質(zhì)交換的系統(tǒng)15開(kāi)放系統(tǒng)從外界接收負(fù)熵流de

S<0

且

|de

S|>diS系統(tǒng)的熵dS=diS+de

S<0使系統(tǒng)由無(wú)序變到有序自組織現(xiàn)象的解釋16負(fù)熵流貝納特實(shí)驗(yàn)中，流體系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，隨著熱量的流進(jìn)流出，系統(tǒng)的熵在變化。若流進(jìn)流出的熱量相等,為dQ。流進(jìn)的熵流出的熵因?yàn)樗约戳鞒龅撵卮笥诹鬟M(jìn)的熵。若凈流出的熵超過(guò)了系統(tǒng)內(nèi)部的“熵產(chǎn)生”，系統(tǒng)的熵就減少，系統(tǒng)就從無(wú)序有序。17遠(yuǎn)離平衡態(tài)的分叉現(xiàn)象主要研究平衡態(tài)的性質(zhì).例如,貝納特實(shí)驗(yàn)中

T=0的情形。1.平衡態(tài)熱力學(xué)(經(jīng)典熱力學(xué))例如,貝納特實(shí)驗(yàn)中，

T0（但較小）的情形。還不可能發(fā)生自組織的現(xiàn)象。外界的影響較小,外界的作用與系統(tǒng)狀態(tài)的變化可以看成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系.2.線性非平衡態(tài)熱力學(xué)(近平衡態(tài)熱力學(xué)）3.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，有它自己特有的規(guī)律.例如,貝納特實(shí)驗(yàn)中時(shí)的情形.這時(shí),就有可能出現(xiàn)自組織現(xiàn)象。18X（狀態(tài)參量）l（外界影響）l0lc平衡態(tài)遠(yuǎn)離平衡（l>lc）

耗散結(jié)構(gòu)非平衡定態(tài)（l<lc）

混沌態(tài)(chaoticstate)耗散結(jié)構(gòu)和混沌態(tài)19耗散結(jié)構(gòu)：遠(yuǎn)離平衡態(tài)出現(xiàn)較為穩(wěn)定的有序態(tài)的結(jié)構(gòu)耗散結(jié)構(gòu)與自組織現(xiàn)象混沌態(tài):當(dāng)進(jìn)一步遠(yuǎn)離平衡態(tài)，出現(xiàn)二級(jí)和高級(jí)分叉的現(xiàn)象。可能出現(xiàn)各種有序結(jié)構(gòu)，但很難預(yù)測(cè)。形成一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)必須有以下五個(gè)條件:1.開(kāi)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20

激光器出激光，要輸入足夠的功率（開(kāi)放系統(tǒng)）才能造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)（遠(yuǎn)離平衡態(tài)）。當(dāng)有能量

的一個(gè)光子入射時(shí)（漲落）可以引起受激輻射光放大出來(lái)兩個(gè)全同光子。激光21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)減小(非線性抑制因素).但不是所有的漲落都能得到足夠的放大,只有沿軸線方向的光子才行：1248

(正反饋),激勵(lì)能源全反射鏡部分反射鏡激光輸出激光22關(guān)于熱寂說(shuō)“宇宙不是孤立系統(tǒng)，不能用熱力學(xué)第二定律”“宇宙是無(wú)限的，熱力學(xué)第二定律是在有限范圍得出的規(guī)律”

天體物理學(xué)：宇宙在膨脹，自引力系統(tǒng)由于漲落會(huì)從密度均勻狀態(tài)變成團(tuán)塊結(jié)構(gòu)的星體?？梢宰C明，在這過(guò)程中（自發(fā)地由均勻到不均勻）熱力學(xué)概率是增加的，熵沒(méi)有極大值，宇宙不會(huì)熱寂。熱寂說(shuō)不適用于引力占主導(dǎo)作用的膨脹的宇宙23生物生命生物是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)生命過(guò)程是一種耗散結(jié)構(gòu)物種的產(chǎn)生偶然性物種的保護(hù)24T2系統(tǒng)T1

系統(tǒng)（T1）直接與熱源（T2