第1章生物與生理的物理化學基礎

1、物理學與生物學的相互滲透、相互促進、相互結合已有很長的歷史 在17世紀，波萊利（borrelli）在他動物的運動一書中利用力學的原理分析了血液循環(huán)與鳥類的飛行。 18世紀，伽伐尼(galvani)通過青蛙神經(jīng)由于接觸兩種金屬引起肌肉收縮，從而發(fā)現(xiàn)了生物電現(xiàn)象。 19世紀，梅耶(mayer)通過熱、功和生理過程關系的研究建立了能量守恒定律。 20世紀40年代初，著名的量子物理學家薛定愕(schrondinger)專門作了“生命是什么”的報告中提出的幾個觀點，如負熵與生命現(xiàn)象的有序性、遺傳物質的分子基礎、生命現(xiàn)象與量子論的協(xié)調性等，以后陸續(xù)都被證明是極有預見性的觀點，而且均得到證實。 物理學為生物

2、學提供過大量工具 光學顯微鏡(1590)： 細胞(1665) 細菌(antonie van leeuwenhoek,1683) (muller確認細菌為一類生物, 1773) x射線衍射晶體結構分析 dna雙螺旋結構（jd watson,fhc crick,1953） 肌紅蛋白、血紅蛋白晶體結構（1957,1959） 電子顯微鏡、掃描電鏡、隧道掃描電鏡 各種光譜方法、熒光標記 中子衍射 示蹤原子、放射性標記 核磁共振波譜 質譜儀 “化學”儀器：超速離心機、液相色譜分析、圓偏振二向色性分析、凝膠電泳物理學為生物學提供了新思想 負熵 非周期晶體 對熱漲落的擔心 三聯(lián)碼（george gamow,

3、1954） 生物中的“標度”和“分形”7outline 平衡態(tài)熱力學 熱力學方程與熱力學函數(shù) 生命現(xiàn)象與非平衡熱力學簡介 熱力學與生物信息8平衡態(tài)熱力學 熱力學的基本概念 熱力學第一定律 熱力學第二定律1.1平衡態(tài)熱力學 熱力學是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論。 經(jīng)典熱力學是唯象的理論。 以實驗為基礎，從能量、能量守恒與轉以實驗為基礎，從能量、能量守恒與轉化的觀點來分析系統(tǒng)在狀態(tài)變化過程中熱、功化的觀點來分析系統(tǒng)在狀態(tài)變化過程中熱、功轉換的關系和條件的學科。轉換的關系和條件的學科。熱現(xiàn)象是與溫度有關的、使物質性質發(fā)生改變的基本現(xiàn)象。從微觀上看，熱現(xiàn)象是組成物體的微粒做一種永不停息的、無規(guī)則的熱運動的結果

4、。人們對熱現(xiàn)象不斷地分析、歸納，總結出熱現(xiàn)象的宏觀理論熱力學。 熱力學是研究物質性質和熱運動規(guī)律的科學，熱力學規(guī)律具有高度的普適性，可用于研究自然界中一切物質轉變和能量轉換的關系。一切化學、生命、物理過程都與熱現(xiàn)象息息相關。對于生物體來說，新陳代謝是生命活動的最基本特征，其本質是機體內進行的一系列有序的物理和化學過程的總和，新陳代謝包括物質代謝、能量代謝和信息交流，它們密不可分。生物系統(tǒng)不斷地從周圍環(huán)境中攝取物質，經(jīng)一系列生化反應合成、轉變成自身需要的組分，又將原有的組分通過一系列生化反應變?yōu)閺U料，排出體外，并伴有能量變化。 我們同樣可以采用熱力學的規(guī)律和研究手段來研究生物體系中的物質轉變和能

5、量轉變。 在熱力學的研究中，作為研究對象的物質及其發(fā)生變化的范圍必需作出明確的規(guī)定。此范圍稱之為系統(tǒng)，而在系統(tǒng)以外、與系統(tǒng)密切相關且影響所及的部分稱之為環(huán)境。系統(tǒng)與環(huán)境的關系：三類系統(tǒng)孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)，與環(huán)境無能量和物質的交換；封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)，與環(huán)境僅有能量交換，而無物質交換的系統(tǒng)，簡稱閉系；開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)，與環(huán)境交換能量和物質的系統(tǒng)，簡稱開系。狀態(tài)函數(shù)和狀態(tài)方程 熱力學的目的之一就是將體系的狀態(tài)完整的描述出來，此時，描述體系狀態(tài)使用的量稱之為狀態(tài)函數(shù)或狀態(tài)變量，反映了體系的宏觀性質。而體系宏觀性質的狀態(tài)函數(shù)之間的關系可以由狀態(tài)方程描述。 比如，對于理想氣體而言，壓力(p)，體積(v)，溫

6、度(t)這三個狀態(tài)變量之間的關系可以由下列狀態(tài)方程式描述：pv=rt其中r為氣體常數(shù)r=8.314410.00026j/(molk ) 。當p、v、t三個變量中的兩個決定了的時候，該理想氣體的狀態(tài)就可以確定了。 狀態(tài)函數(shù)的特點 狀態(tài)函數(shù)單純的取決于系統(tǒng)的狀態(tài)，即狀態(tài)一定，則描述該系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)也就一定。同樣地，如果狀態(tài)發(fā)生變化，則至少有一種參數(shù)隨之改變。 狀態(tài)函數(shù)的變化只取決于給定系統(tǒng)的初始和最終狀態(tài)，而與變化過程中所經(jīng)歷的一切狀態(tài)和途徑無關，這是熱力學的一個重要特點。 根據(jù)狀態(tài)函數(shù)的性質不同，我們大致可將其分為如下兩類：（1）容量性質狀態(tài)函數(shù)此類參數(shù)的數(shù)值與系統(tǒng)中物質的量成正比，即整個系統(tǒng)的

7、容量性質狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值，是系統(tǒng)各部分該參數(shù)數(shù)值的總和。例如，一杯水的體積是各部分體積的總和，所以體積是容量性質狀態(tài)參數(shù)。其他如質量、熱容量等也均是容量性質狀態(tài)參數(shù)。（2）強度性質狀態(tài)函數(shù)此類參數(shù)的數(shù)值與系統(tǒng)中物質的量無關，即整個系統(tǒng)的強度性質狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值與系統(tǒng)各部分該參數(shù)的數(shù)值相同。例如，一杯水的溫度與水的數(shù)量無關，各部分水的溫度與整杯水的溫度是同一數(shù)值，所以溫度是強度性質狀態(tài)參數(shù)。其他如壓力、比容、密度等等亦是強度性質狀態(tài)參數(shù)。熱力學第一定律 能量守恒與轉換定律是自然界的一個基本規(guī)律。它指出，自然界中一切物質都具有能量。能量既不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，而只能從一種形式轉變?yōu)榱硪环N形式。

8、 熱力學第一定律是能量守恒與轉換定律在熱力學中的應用，它確定了熱能與其他形式能量相互轉換時在數(shù)量上的關系，其文字表述為：當熱能與其他形式能量相互轉換時，能的總量保持不變。 熱力學第一定律還有一種等式表述如下：進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)儲存能量的變化。 根據(jù)這一定律，人們?yōu)榱说玫綑C械能，就必須耗費熱能或其他能量。在歷史上，有許多人曾幻想創(chuàng)造一種不消耗任何能量或燃料而能不斷對外做功的機器，稱為第一類永動機，但結果卻發(fā)現(xiàn)總是得不到成功。因此也得出了熱力學第一定律的另一個表述方式，即：第一類永動機是不可能制成的。 圖5-2 幾種人們設想的第一類永動機模型熱力學能 熱力學能，簡稱熱能，又稱內能

9、，它主要是指系統(tǒng)內部一切形式的能量的總和，包括組成系統(tǒng)的所有粒子的各種運動能、相互作用能和與粒子結構有關的化學能。 運動能主要包括粒子的移動動能、粒子的轉動動能和原子振動動能，也稱系統(tǒng)的內動能，它是溫度的函數(shù)； 相互作用能主要指系統(tǒng)內部具有克服粒子間相互作用力所形成的粒子位能，也稱系統(tǒng)的內位能，它是比容和溫度的函數(shù)； 系統(tǒng)的熱力學能是其質量、溫度和比容的函數(shù)，也是一個狀態(tài)函數(shù)，通常用u表示，單位為焦耳（j）。 由此可見，熱力學能具有以下性質：（1）系統(tǒng)的狀態(tài)一定時，其熱力學能是一單值函數(shù)；（2）熱力學能的絕對值是無法確定的；（3）系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，其熱力學能的改變值只取決于系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)。

10、 ),(vtmfu =熱力學第一定律的數(shù)學表達 為了定量的分析系統(tǒng)在熱力過程中的能量變化，我們根據(jù)前面講述的內容，得出了封閉系統(tǒng)熱力學第一定律的數(shù)學表達 式中u代表系統(tǒng)內能的變化。內能增加，u0；內能減少，u0。 q代表在熱力過程中封閉系統(tǒng)與外界交換的凈熱量。系統(tǒng)吸熱，q0；系統(tǒng)放熱，q0。 w為封閉系統(tǒng)通過邊界與外界交換的凈功。環(huán)境對系統(tǒng)做功，w0；系統(tǒng)對環(huán)境做功，w0。功包括機械功、體積功、電功、表面功等形式。 體積功的計算w=-wqu+=21vvpdv生命活動遵從能量守恒和轉換定律生命活動遵從能量守恒和轉換定律正常情況下，維持生命活正常情況下，維持生命活動的能源主要是食物；無動的能源主要

11、是食物；無論處于什么情況下，是休論處于什么情況下，是休息狀態(tài)還是工作狀態(tài)（包息狀態(tài)還是工作狀態(tài)（包括思維活動），新陳代謝括思維活動），新陳代謝都在進行。都在進行。食物、水、空氣食物、水、空氣人體所需要的能量人體所需要的能量人體新陳代謝，即人體不同器官、組織和細胞工作所需要的能量損耗以及人體對外作功。基礎代謝的定義 人體在1825室溫下，空腹、平臥并處于清醒、安靜的狀態(tài)稱為基礎狀態(tài)。此時，維持心跳、呼吸等基本生命活動所必需的最低能量代謝，稱基礎代謝（bm）。其數(shù)值與性別、年齡、身高、體重、健康狀況有關。如前所述。機體產(chǎn)生的能量最終全部變?yōu)闊崮?，因此為了比較不同個體能量代謝的水平，可用機體每小時每

12、平方米體表面積散發(fā)的熱量（kj/hm2），即基礎代謝率（bmr）來表示。 它并非人體的最低代謝率，因為熟睡時比清醒時代謝率還要低810%； 基礎代謝率的異常變化是一些疾病的征兆，如，甲狀腺機能不足，低2040%； 亢進，高出2580%bco代謝率環(huán)境溫度低臨界溫度高臨界溫度代謝率與環(huán)境溫度之間的關系曲線人體狀態(tài)耗氧量（ l/min） 代謝率（w）睡覺0.2485靜坐0.34118.4騎自行車1.14394.1聽課0.60209步行0.76265激烈運動人體不同狀態(tài)的耗氧量和代謝率器官基礎代謝率所占比例心7%肺3%腎10%肝和脾27%腦19%骨骼肌18%其他16%各器官基礎代謝率占總代謝率的比例

13、正常人基礎代謝率是比較恒定的，一般男性稍高于正常人基礎代謝率是比較恒定的，一般男性稍高于女性，兒童和青年高于成年，成年后逐漸降低。女性，兒童和青年高于成年，成年后逐漸降低。 測量基礎代謝率對輔助診斷有一定的價值測量基礎代謝率對輔助診斷有一定的價值.通常有兩種測定法通常有兩種測定法: 直接測熱法 間接測熱法直接測熱法 各種能源物質在體內氧化所釋放的熱量，50%以上迅速轉化為熱能，其他則用來完成細胞內的化學功、生物膜兩側離子的“輸運”功、肌肉的機械功，隨之也轉變?yōu)橐欢ǖ臒崮埽?在一般生理情況下，人體體溫恒定，所以產(chǎn)熱的速率與散熱速率基本一致；在測定基礎代謝時，考慮人體對外作功為0，則按照按照td1

14、：de/dt=-dq/dt測得人體散熱率是求得基礎代謝的關鍵測得人體散熱率是求得基礎代謝的關鍵 直接測熱法就是將人體置于一絕熱系統(tǒng)中，將機體在一定時間內散發(fā)出來的總熱量收集起來并加以測量的方法間接測熱法 （1）食物的焦耳價 （2）呼吸商和氧熱摩爾 （3）尿氮測定 （4）其他？（1）食物的焦耳價 1克食物在體外燃燒時產(chǎn)生的熱稱為該食克食物在體外燃燒時產(chǎn)生的熱稱為該食物的物的物理焦耳價（即燃燒熱物理焦耳價（即燃燒熱）。該食物在）。該食物在體內氧化分解所產(chǎn)生的能量稱為食物的體內氧化分解所產(chǎn)生的能量稱為食物的生生物焦耳價。物焦耳價。 動物實驗證明：動物實驗證明：糖和脂肪：物理焦耳價糖和脂肪：物理焦耳價

15、=生物焦耳價生物焦耳價蛋白質：蛋白質： 物理焦耳價物理焦耳價生物焦耳價生物焦耳價（2）呼吸商和氧熱摩爾 食物氧化要從環(huán)境中攝取氧氣，氧化分解終末，要產(chǎn)生co2，生理學上將一定時間內機體呼出的co2量與攝入的o2量的比值稱為呼吸商（rq）：rq=產(chǎn)生產(chǎn)生co2摩爾數(shù)摩爾數(shù)/消耗的消耗的o2摩爾數(shù)摩爾數(shù) =產(chǎn)生產(chǎn)生co2毫升數(shù)毫升數(shù)/消耗的消耗的o2毫升數(shù)毫升數(shù) 各種營養(yǎng)物質在細胞內氧化屬于細胞呼吸過程，因而又將各種營養(yǎng)物質氧化時的co2產(chǎn)量與耗o2量的比值，稱為該物質的呼吸呼吸商商。c6h12o6+ 6o26co2+6h2o +2872kj180g134.4l134.4l108g葡萄糖氧化反應耗

16、氧量=co2產(chǎn)生量， rq =1.脂肪氧化反應消耗單位體積o2可能產(chǎn)生的熱量稱為該種食物氧熱摩爾氧熱摩爾（ohm）。c3h5o3(oc4h7)3+18.5o215co213h2o8121kj+302g414.4l336l234ml葡萄糖2287221.37/ ()134.4kjohmkj l ol2812119.6/ ()414.4kjohmkj l ol脂肪 蛋白質的rq較難測算，間接算出蛋白質的rq為0.802，ohm為18.8kj/l(o2) 以完整機體整體為實驗對象時，上述測算值誤差較大。 平均呼吸商0.72-1.0 (0.85).（3）尿氮測定 蛋白質在體內不能完全氧化分解，部分以尿

17、素形式從尿中排出。 蛋白質平均重量組成：蛋白質平均重量組成： c 53%, h 7%, o 23%, n 16%, s 1% 蛋白質中16%的n是完全隨尿排出的，所以，假設測得尿中的含氮量，即可推算出體內氧化分解的蛋白質p為：16%p 尿中含氮量尿中含氮量 6.25間接測熱法 假設以o代表人體總的耗氧量，c代表總的co2產(chǎn)量，則得非蛋白質代謝的耗o2量o和co2產(chǎn)量c應為 o= o-0.95p c=c-0.76pp：蛋白質代謝量0.95：每分解1g蛋白質所需消耗的o2的升數(shù)0.76：每分解1g蛋白質所產(chǎn)生的co2 的升數(shù)0.760.80.95為蛋白質呼吸商非蛋白質 葡萄糖的耗氧量為s，脂肪耗氧

18、量為f。rq葡萄糖=1， rq脂肪=0.81。所以葡萄糖產(chǎn)生的co2量為s，脂肪產(chǎn)生的 co2為0.81f。 由葡萄糖（或脂肪）的呼吸商計算式可得下述方程：(0.76 )0.811(0.95 )cpfopf 因此，測定在某段時間內人體總的耗o2量o和總的產(chǎn)生的co2量c以及蛋白質代謝量p，解上述方程可求出脂肪的耗o2量f，葡萄糖的耗氧量s為： s=o-0.95p-f 人體在此時間的總產(chǎn)熱量為： q=p 蛋白質生物焦耳價蛋白質生物焦耳價+s 葡萄糖的氧葡萄糖的氧熱摩爾熱摩爾+f 脂肪的氧熱摩爾脂肪的氧熱摩爾其他？其他？1-4 熱力學第二定律熱力學第二定律熱力學第一定律指出，隔離體系中，能量熱力學

19、第一定律指出，隔離體系中，能量是守恒的；熱力學第二定律則要闡述兩個問題：是守恒的；熱力學第二定律則要闡述兩個問題：(1)熱和功等能量形式的轉化是有方向的，因熱和功等能量形式的轉化是有方向的，因而實際能夠進步的過程也有一定的方向。如而實際能夠進步的過程也有一定的方向。如在隔離體系中，自發(fā)進行的方向：在隔離體系中，自發(fā)進行的方向：氣體的自發(fā)膨脹；熱物體可以自發(fā)冷卻；氣體的自發(fā)膨脹；熱物體可以自發(fā)冷卻；重物自發(fā)下落。重物自發(fā)下落。(2) 熱轉化為功是有限度的。熱力學第二定律是從討論能量轉化的方向和限度問題，引入的熵函數(shù)，并導出了其它熱力函數(shù)，來討論實際過程如化學反應的方向和限度。1-4-1自發(fā)變化的

20、共同特征自發(fā)變化的共同特征 不可逆性不可逆性自發(fā)變化是指能夠自動發(fā)生的變化，即無需外力幫忙，任其自然，不去管它，即可發(fā)生的變化。而自發(fā)變化的逆過程則不能自動進行。這種自發(fā)變化在實際生活當中的例子是很多如：熱量由高溫物體傳入低溫物體，高溫低溫q它的逆過程不會自動進行，即熱不能自動從低溫物體傳到高溫物體。在焦耳的熱功當量實驗中，重物下降，帶動攪拌器，量熱器中的水被攪拌，從而水溫上升。而它的逆過程不會自動進行，即水的溫度不會自而它的逆過程不會自動進行，即水的溫度不會自動降低，而重物被舉起，即不可能從單一熱源取出熱動降低，而重物被舉起，即不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣?，而不發(fā)生其它的變化。使之完

21、全變?yōu)楣?，而不發(fā)生其它的變化。從上面例子可以看出，一切自發(fā)變化都有一定的變化方向，并且都是不會自動逆向進行，這就是自發(fā)變化的共同特征。即：自發(fā)變化是不可逆過程。這個結論是經(jīng)驗的總結，也是熱力學第二定律的基礎。 機械能 熱能高溫熱 低溫熱 化學勢高 化學勢低 可逆過程: 過程正反各一次,系統(tǒng)和外界都完全恢復原狀,不引起其他變化。也就是準靜態(tài)過程+無耗散效應不可逆過程:欲使系統(tǒng)和外界都恢復原狀,必引起其他變化.結論：自發(fā)的熱過程都是不可逆過程;不可逆過程是由不可逆因素引起的;不可逆因素包括:耗散效應,有限勢差;所有的不可逆過程在其不可逆這一點上是完全等價的. 1-4 -2 熱力學第二定律熱力學第二

22、定律自發(fā)過程的共同特征是熱力學不可逆過程，自發(fā)過程的共同特征是熱力學不可逆過程，對這一客觀規(guī)律，總結出一個普通原理，這就是對這一客觀規(guī)律，總結出一個普通原理，這就是熱力學第二定律熱力學第二定律(second law of thermodynamics)幾種表述：幾種表述： “不能制造出一種循環(huán)操作的機器，其作用只是從單一熱源吸熱并將一重物舉起”開爾文說法“第二類永動機不可能造成的” “熱不能自動從低溫物體傳到高溫物體”克勞修斯說法幾點說明：三種表述都是等效對熱不能完全變?yōu)楣Φ睦斫?，必須是不引起其它變化為條件。熱不能從低溫轉入高溫，強調自動，即不需外界幫忙。熱力學第二定律是在蒸氣機發(fā)展的推動下建

23、立起來熱力學第二定律是在蒸氣機發(fā)展的推動下建立起來，本來的目的是為了解決熱功轉化的方向和限度，即蒸氣，本來的目的是為了解決熱功轉化的方向和限度，即蒸氣機的熱轉化為功的效率。但是通過大量的實踐證明了它也機的熱轉化為功的效率。但是通過大量的實踐證明了它也是研究所有宏觀（包括化學變化）的方向和限度的基礎。是研究所有宏觀（包括化學變化）的方向和限度的基礎。“隔離體系中自發(fā)過程向著熵增大的方向進行”t環(huán)，1高溫熱源(燃燒產(chǎn)物)t環(huán)，2低溫熱源(冷卻介質)h2owqhqc水泵汽缸鍋爐冷凝器水為工質介質，在蒸氣機中一個循環(huán)經(jīng)歷了四個典型的過程：(1) 水從t環(huán),1取熱量qh被氣化產(chǎn)生高溫、高壓蒸氣等溫膨脹(

24、2)蒸氣在氣缸中膨脹，推動活塞做功，溫度和壓力下降。絕熱膨脹(3)蒸氣在冷凝器中放出qc到低溫熱源，并冷凝為水。等溫壓縮(4)水經(jīng)泵增壓，重新進入鉆爐。絕熱壓縮法國青年工程師卡諾（17961832）在比較和研究了英國和法國制造的蒸氣機的效率發(fā)現(xiàn)，熱機在最理想的情況下，也不能把所吸的熱全都轉化為功，而有一個限度。用p v表示為：為了找出熱機實際效率的極限，卡諾根據(jù)蒸氣機的四個過程，設想了由可逆過程構成的循環(huán)過程，工質為理想氣體理想氣體的卡諾循環(huán)。vp1 (t2,p1,v1)2 (t2,p2,v2)3 (t1,p3,v3)4 (t1,p4,v4)q2q1w計算每一過程功和熱 (n=1 mol 理想

25、氣體）第一步：12，等溫（t2)可逆膨脹。 )ln(210211222vvnrtwqu第二步：23，絕熱可逆膨脹： 21,3232032ttncwuqmv第三步：34，等溫（t1)可逆壓縮：)ln(430433411vvnrtwqu第四步：41，絕熱可逆壓縮：12,1414014ttncwuqmv以上四步構成一個可逆循環(huán)。在整個過程中，體系對環(huán)境所作的功w為1234的面積，一個循環(huán)后，體系回到原來的狀態(tài)。體系從高溫熱源得到q2熱量一部分轉為w對環(huán)境做功一部分流向低溫熱源q1理想氣體卡諾熱機效率：等于它輸出的功與吸收的熱量之比2qw但環(huán)境卻發(fā)生了變化，即 2. 卡諾效率(carnot effic

26、iency)完成循環(huán)后，體系復原： 0wqu總熱：12qqq總功：12qqw1223411222122lnlnlnvvnrtvvnrtvvnrtqqqqw卡諾效率：由絕熱可逆過程方程求出理想氣體v與t的關系: 2111421123ttvvttvv從上兩式得：1243vvvv212121ttttt為卡諾可逆熱機的效率卡諾可逆熱機的效率，只與t2和t1有關，與工質無關。 提高熱機效率的方法： t1一定時（如低溫熱源為大氣），t2愈高，則一定量的q2所能產(chǎn)生的功效愈大，即溫度愈高，熱的品位就愈高。 降低t1,方法有用風機，冷卻塔。若將卡諾熱機逆向運轉時，即環(huán)境對熱機作功，則可以使低溫的熱流向高溫t2

27、t1wq1q2卡諾熱機t2t1wq1q2制冷機冷泵內外t2t1wq1q2制熱機熱泵室外室內熱泵：電能熱泵熱量從低溫(室外)熱源到高 溫熱源(室內)。冷泵：電能冷泵熱量從低溫(室內)熱源到高 溫熱源(室外)。3卡諾定理(carnot prineiple) “在t1和t2兩熱源間工作的所有熱機中，可逆熱機的效率最大”卡諾定理。 用數(shù)學式表示： ri i熱機為不可逆熱機= i熱機為可逆熱機121211qqqqqi121ttrt1為高溫熱源溫度 t2為低溫熱源溫度得不等式：02211tqtq01-4-5 克勞修斯不等式與熵增加原理克勞修斯不等式與熵增加原理1. 克勞修斯不等式 (clausius in

28、equality)從卡諾原理得出克勞修斯不等式：從卡諾原理得出克勞修斯不等式：不可逆循環(huán)過程過程可逆循環(huán)002211tqtq同樣對于任意一個循環(huán)過程同樣對于任意一個循環(huán)過程riiitq=0 為可逆循環(huán)0 ab為不可逆過程，為不可逆過程，t為環(huán)境溫度為環(huán)境溫度=0 ab為可逆過程，為可逆過程，t為體系溫度為體系溫度克勞修斯不等式克勞修斯不等式clausius iuequality。 用途：判別過程的可逆性。用途：判別過程的可逆性。 推廣到隔離體系，有： 0隔離s0 自發(fā)進行=0 平衡狀態(tài)它是熱力學第二定律的一個重要結論，即在它是熱力學第二定律的一個重要結論，即在絕熱條件下，用體系熵函數(shù)（即體系的

29、性質）絕熱條件下，用體系熵函數(shù)（即體系的性質）的增加或不變來判斷過程的可逆性。的增加或不變來判斷過程的可逆性。 推廣到隔離體系，有： 0隔離s0 自發(fā)進行=0 平衡狀態(tài)上述不等式表述了：隔離體系的熵永不減少熱力學第二定律的第三種表述。用來判斷過程的方向（自發(fā)進行的方向）和限度(平衡態(tài))。 實際計算是將與體系密切相關的部分實際計算是將與體系密切相關的部分（環(huán)境）包括在一起，當作一個隔離體系，（環(huán)境）包括在一起，當作一個隔離體系，則：則： 環(huán)境體系隔離sss 1-4-6 熵變的計算熵變的計算 對于任意二態(tài)間的熵變?yōu)槎ㄖ?，當：對于任意二態(tài)間的熵變?yōu)槎ㄖ担敚哼^程可逆：過程可逆： tqsr 過程不可逆

30、：過程不可逆：tqsir1. 單純的單純的pvt變化變化(指無相變化、化學變化指無相變化、化學變化, ,且且wf=0) ) 由第一定律：由第一定律： wqdu可逆可逆wf=0pdvqdur1. 理想氣體理想氣體dvvnrtdtncpdvduqmvr,vdvnrtdtnctqdsmvr,得：得：積分：積分：1212,lnlnvvnrttnctqsmvr適用范圍：理想氣體，任何適用范圍：理想氣體，任何pvt變化變化上式為計算熵變的通式。上式為計算熵變的通式。(1) 等溫過程（理想氣體）等溫過程（理想氣體）vdvnrds 12lnvvnrs 21lnppnrs (2) 等容過程：等容過程：12,ln

31、ttncsmv(3) 等壓過程：等壓過程：rccvvttmvmp,1212和有：有：12,1212,lnlnlnttncttnrttnctqsmpmvr例：設例：設o2為理想氣體，求下列各過程中為理想氣體，求下列各過程中l(wèi)mol o2的的s ：(1) 等溫可逆膨脹過程等溫可逆膨脹過程 v2v (2) 等溫自由膨脹過程等溫自由膨脹過程 v2v (3) 絕熱自由膨脹過程絕熱自由膨脹過程 v2v (4) 絕熱可逆膨脹過程絕熱可逆膨脹過程 v2v解：解：(1) 等溫可逆等溫可逆j/k76. 52ln11)1(vvnrs(2) 等溫不可逆，等溫不可逆，但始終態(tài)與但始終態(tài)與(1)(1)一致一致 j/k76

32、. 52ln11)1()2(vvnrss(3) 對理想氣體對理想氣體, ,經(jīng)經(jīng)絕熱自由膨脹絕熱自由膨脹, , 有有q=0, w=00u說明說明經(jīng)過經(jīng)過絕熱自由膨脹絕熱自由膨脹后，體系后，體系t不變。故不變。故(3)與與(1)有相同的始終態(tài)有相同的始終態(tài) 。0j/k76. 5)1()3(ss(4) 絕熱可逆膨脹絕熱可逆膨脹 0rq因為：因為：0)4(s都是從都是從v2v。為什么前三個過程的。為什么前三個過程的s相同，而（相同，而（4）過程）過程s=0 ？2. 理想氣體混合過程熵變理想氣體混合過程熵變 理想氣體分子間無作用力，所以其它氣理想氣體分子間無作用力，所以其它氣體存在與否不會影響某氣體的狀

33、態(tài)。因此計體存在與否不會影響某氣體的狀態(tài)。因此計算混合熵變時，可分別計算各純組分的熵變，算混合熵變時，可分別計算各純組分的熵變，然后求和，即為理想氣體混合熵變。然后求和，即為理想氣體混合熵變。 例：絕熱容器中放一隔板例：絕熱容器中放一隔板2 mol o2 300 k 1 dm33 mol n2 300 k 1 dm33nmol + 2 mol n2 o2 300 k s=?氣體為理想氣體，求氣體為理想氣體，求 mixs，并判斷混合過，并判斷混合過程的自發(fā)性。程的自發(fā)性。 解：容器絕解：容器絕熱，熱，q=00u即混合后，溫度不變，為等溫過程。即混合后，溫度不變，為等溫過程。抽去隔板后，對抽去隔板

34、后，對o2而言相當于而言相當于1 dm32 dm3 2ln2ln122rvvnrso同樣， 對于n2有2ln3ln122rvvnrsn2ln522nomixsss因為混合過程有q=w=0，故為隔離體系 容器體積不變，容器體積不變，w=0 即：即：02ln5(隔離）ssmix故為自發(fā)過程。故為自發(fā)過程。 3. 傳熱過程傳熱過程 通常有兩種情況：通常有兩種情況： 多種（同種）物質處在不同溫度的多種（同種）物質處在不同溫度的混合過程混合過程 高溫高溫(t1)熱源熱源低溫低溫(t2)散熱散熱q例：1 mol、300k的h2o(l)與2 mol、350k 的h2o(l)在100kpa下絕熱混合，求熵變。

35、已知水的 11,molkj29.75mpc解：解：1 mol、300k的的h2o(l)2 mol、350k的的h2o(l)1 mol、tk的的h2o(l)2 mol、tk的的h2o(l) s1 s2(1) 先求混合后的先求混合后的t2，混合過程混合過程為等壓為等壓，且絕熱，且絕熱 021hhhppp0)350(2)300(1,tctcmpmpkt3 .333(2) 求熵變求熵變12,21,121563. 0lnlnkjttcnttcnsssmpmpp因為因為q=w=0，可視為隔離體系，即：可視為隔離體系，即： 0563. 0()(1kjsss環(huán)境）體系隔離）混合過程自發(fā)進行。它的逆過程是不可混

36、合過程自發(fā)進行。它的逆過程是不可能的，即溫度均勻的水不能重新變成溫能的，即溫度均勻的水不能重新變成溫度不同的兩部分。度不同的兩部分。例：高溫例：高溫t1熱源向溫度為熱源向溫度為t0的大氣散熱，的大氣散熱，t1和和t0皆保持不變。求過程的皆保持不變。求過程的s(s(隔離隔離) ) 。 若將過程設計成：若將過程設計成：t1t0t1-dtqqt1-2dtq則為可逆?zhèn)鳠帷Ｇ矣袆t為可逆?zhèn)鳠帷Ｇ矣?解：解：t1qt0為不可逆?zhèn)鳠釣椴豢赡鎮(zhèn)鳠?qqr對對t1熱源熱源 111)(ttqtsr 對對t0熱源熱源 000)(ttqtsr體系體系環(huán)境環(huán)境)()(01tqtqrr則：01010001101)()()(

37、)()(tttttqttqttqtstssrrr隔離）)(0tqrt0 熱源得到的熱量0當 t1t0時，s(隔離）0即向低溫散熱是是自發(fā)進行。 4.相變化指物質發(fā)生的態(tài)的變化(1)可逆相變化可逆相變化 指在無限接近相平衡條件下進行的相變化為可逆相變化。 如：(i) 物質在正常熔點或沸點溫度時的相變化 可由可逆相變熱qr求 tqsr相變）相變）(ths(ii)當外壓等于一定溫度時液體飽和蒸氣壓時的相變，也為可逆相變化，如： 298.15k時，水的飽和蒸氣壓為3.167 kpa水蒸氣水kpac167. 3 ,2502. 2. 不可逆相變化不可逆相變化 不符合上述二個條件的相變化為不符合上述二個條件

38、的相變化為不可逆相變化。如：不可逆相變化。如： 過冷水過冷水(-5c)冰冰(-5c)tqs不可為不可逆相變化：為不可逆相變化：水蒸氣水kpac167. 3 ,2505. 環(huán)境熵變環(huán)境熵變 計算環(huán)境熵變時，有二點假設：計算環(huán)境熵變時，有二點假設： 體系與環(huán)境的熱變換為可逆的體系與環(huán)境的熱變換為可逆的環(huán)境內部是可逆的環(huán)境內部是可逆的 則：則：環(huán)境環(huán)境體系）環(huán)境）環(huán)境）tqtqsr(求上例的s（環(huán)境），首先應求過冷水轉變冰的熱效應：q(體系）因為過程為等壓過程： hqpjttnchttncqhhhhmpmslmpp5643)()(12,12,321冰水）水體系）kjtqs/44.2115.26356

39、43(環(huán)境體系）環(huán)境）0/81. 0(kjsss環(huán)境）體系）隔離）說明過冷水凝固成冰是自發(fā)進行的。說明過冷水凝固成冰是自發(fā)進行的。 在熱工計算中，廣泛使用在熱工計算中，廣泛使用t-s圖，如圖，如在計算卡諾循環(huán)的熱機效率時，采用在計算卡諾循環(huán)的熱機效率時，采用t-s圖較為方便如圖：圖較為方便如圖： thsbdt=0abcdds=0satcab下的面積為：下的面積為：abhhsstqcd下的面積為：下的面積為：baccsstqabcd矩形面積為熱機對外做功：矩形面積為熱機對外做功：chqqw得卡諾熱機的效率：得卡諾熱機的效率：hchabhabcabhhtttsstsstsstqw由此可見，在由此可

40、見，在t-s圖中，體系所吸取的熱圖中，體系所吸取的熱量及對外所做的功都可在同一張圖中表示量及對外所做的功都可在同一張圖中表示出來，比出來，比p-v圖含有更多的信息。圖含有更多的信息。 1-4-7 1-4-7 熱力學第二定律本質和熵變的統(tǒng)計意義熱力學第二定律本質和熵變的統(tǒng)計意義 1. 熱力學第二定律的本質：熱力學第二定律的本質： 功功可以可以100%轉變?yōu)闊?，但熱不能轉變?yōu)闊幔珶岵荒?00%轉轉化為功，必須有一部分熱轉移至低溫熱源。這化為功，必須有一部分熱轉移至低溫熱源。這種熱功轉化的不可逆性，反映自然界中一切自種熱功轉化的不可逆性，反映自然界中一切自發(fā)過程都是不可逆過程發(fā)過程都是不可逆過程。

41、 熱熱在微觀中，是由于分子運動，相互碰撞在微觀中，是由于分子運動，相互碰撞而產(chǎn)生了熱。體系中分子越混亂，相互碰撞越而產(chǎn)生了熱。體系中分子越混亂，相互碰撞越劇烈，在客觀上表現(xiàn)為產(chǎn)生的熱越多，即熱是劇烈，在客觀上表現(xiàn)為產(chǎn)生的熱越多，即熱是分子混亂運動的一種在宏觀上的表現(xiàn)。分子混亂運動的一種在宏觀上的表現(xiàn)。 功功則是與有方向的運動相聯(lián)系，是則是與有方向的運動相聯(lián)系，是一種有秩序的運動，一種有秩序的運動， 自動轉化自動轉化不會自動不會自動即熱功轉化是向混亂度增加的方向進行。即熱功轉化是向混亂度增加的方向進行。其他不可逆過程，如氣體的混合過程：其他不可逆過程，如氣體的混合過程：o2 n2自動轉化自動轉化

42、不會自動不會自動o2+n2有有秩序秩序無無秩序秩序無秩序的運動無秩序的運動熱熱有秩序的運動有秩序的運動功功氣體混合過程也是向混亂度增加的方向進行自然界中，一切自發(fā)過程，都是向熵增加過程，或從有秩序到無秩序的過程。 即： a b 自發(fā)過程則： sa sb 有 sb sa 混亂度 a b 有 b a結論：結論：一切自發(fā)過程，都是向熵增加方向進行，一切自發(fā)過程，都是向熵增加方向進行，或向著混亂度增加的方向進行。這是熱力學第或向著混亂度增加的方向進行。這是熱力學第二定律所闡明的不可逆過程的本質。二定律所闡明的不可逆過程的本質。 2. 熵的統(tǒng)計表示熵的統(tǒng)計表示 熵函數(shù)熵函數(shù)(宏觀宏觀)是體系混亂度是體系

43、混亂度(微觀微觀)的度量。的度量。從統(tǒng)計力學可以求出體系總的微觀從統(tǒng)計力學可以求出體系總的微觀狀態(tài)數(shù)（狀態(tài)數(shù)（ ） 混亂度混亂度 與熵的關與熵的關系為：系為：lnksk 為為boltzman常數(shù)常數(shù)為熵的統(tǒng)計表示。為熵的統(tǒng)計表示。這是一個非常重要的這是一個非常重要的公式，通過它將宏觀性質公式，通過它將宏觀性質s與微觀性質與微觀性質 聯(lián)系起來。聯(lián)系起來。k=1.380650510-23 j/k; 阿伏伽德羅常數(shù)阿伏伽德羅常數(shù)6.0221023 18771877年玻爾茲曼（年玻爾茲曼（l.boltzmannl.boltzmann，1844184419061906）提）提出了把熵出了把熵(entro

44、py)(entropy) s s 和熱力學概率和熱力學概率(probability (probability of of thermodynamics)thermodynamics)( (即微觀量子態(tài)的數(shù)目）聯(lián)即微觀量子態(tài)的數(shù)目）聯(lián)系起來系起來, ,得出得出 s s log 后人引進比例系數(shù)后人引進比例系數(shù)k，寫成等式，寫成等式 s =s = kln kk玻爾茲曼常量玻爾茲曼常量ss宏觀系統(tǒng)熵值宏觀系統(tǒng)熵值 j/k 玻爾茲曼熵公式把宏觀狀態(tài)量s與微觀量子態(tài)數(shù),即宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率聯(lián)系起來，揭示了熵函數(shù)的統(tǒng)計意義。 1-4-8 helmholz自由能和自由能和gibbs自由能自由能 1. helm

45、holz自由能自由能 由克勞修斯不等式：由克勞修斯不等式：0環(huán)tqds和熱力學第一定律：和熱力學第一定律：wduqdstduw環(huán)dstq環(huán)得：得：若體系為等溫過程若體系為等溫過程(t環(huán)環(huán)=t1=t2)tsudwhelmholz定義定義u-ts為：為：tsuf稱稱f為亥姆霍茲自由能為亥姆霍茲自由能(helmholz free energy)代入上式得：代入上式得：dfw或或fw= 可逆可逆 不可逆不可逆此式的物理意義：此式的物理意義：在等溫過程中，一個封閉體系在等溫過程中，一個封閉體系所能做的最大功等于所能做的最大功等于f 減少。減少。因此，因此，helmholz自由能自由能可以理解為等可以理解

46、為等溫溫條件下條件下，體系做功的本體系做功的本領領。若過程不若過程不可可逆，則體系所做的功小于是逆，則體系所做的功小于是f的的減少。減少。 若體系在等溫等容若體系在等溫等容且且wf=0： 0f= 可逆過程，平衡可逆過程，平衡 不可逆過程，自發(fā)進行不可逆過程，自發(fā)進行helmholz判據(jù)(使用條件：封閉體系，等溫等容， wf=0)。意義：意義：在等溫等容條件下，用體系的性質f變化值來判別過程的方向和限度。 2. 吉布斯自由能 (gibbs free energy)dstduw環(huán)將w分成：ffewpdvwww代入：代入：等溫條件：等溫條件：tsudwpdvf若等壓，則：若等壓，則：tshdwtsp

47、vudwffgibbs定義定義h-ts為：為：tshg稱稱g為吉布斯自由能為吉布斯自由能(gibbs free energy)得：得：dgwf或或gwf物理意義：在等溫等壓下，一個封閉體物理意義：在等溫等壓下，一個封閉體系所能做的最大非體功等于體系系所能做的最大非體功等于體系gibbs自自由能的減少。由能的減少。 體系從狀態(tài)體系從狀態(tài)1狀態(tài)狀態(tài)2，若：，若：過程可逆，則有過程可逆，則有rfwg 不過程可逆，則有不過程可逆，則有irfwg gibbs自由能判據(jù)，只需體系自身的性質，而無需考慮環(huán)境的影響；實際過程通常都在等溫等壓下進行，所以 gibbs自由能判據(jù)應用更廣泛。若將反應：若將反應：zn

48、 + cu2+ cu + zn2+ 按不同方式進行：按不同方式進行：(1) 設計成可逆電池反應，實驗測定電池的電動勢e，電功wf=nef，則反應的g為nefg n為電子數(shù)， f為faraday常數(shù)96485 c/mol(2) 直接在燒杯中反應，電功wf=0hqrp?g從狀態(tài)函數(shù)性質可知，只要給定始態(tài)和終態(tài)，g 為定值，但熱效應是與過程有關。 問：反應都在等壓條件下進行，由公式問：反應都在等壓條件下進行，由公式 h=qp 知，知，兩個過程的熱效應應相等，結論兩個過程的熱效應應相等，結論是否正確？是否正確？ 1-4-9 熱力學判據(jù)熱力學判據(jù) （criterion) 1. 熱力學判據(jù) (1) 熵判據(jù)

49、： 對于隔離體系或絕熱體系： 00,fwvuds= 可逆過程，平衡 不可逆過程，自發(fā)進行從不等式可知，在隔離體系中，自發(fā)變化總是朝向熵增加的方向進行，直到熵最大，即達到平衡，熵值不再變化。 (2) 亥姆霍茲自由能判據(jù)亥姆霍茲自由能判據(jù)：在等溫等容不做非膨脹功的條件下，在等溫等容不做非膨脹功的條件下， 00,fwvtdf= 可逆過程，平衡可逆過程，平衡 不可逆過程，自發(fā)進行不可逆過程，自發(fā)進行自發(fā)變化總是朝向自發(fā)變化總是朝向f減少的方向進行，直減少的方向進行，直到到f值最小，到達平衡值最小，到達平衡。 (3)(3)吉布斯自由能判據(jù)：吉布斯自由能判據(jù)： 在等溫等壓不做非膨脹功條件下在等溫等壓不做非

50、膨脹功條件下 00,fwptdg= 可逆過程，平衡可逆過程，平衡0，所以上述反應不可能進行。（1）在求反應熱效應時，一般反應均在等溫等壓下進行，故在內能的基礎上引入了h，有 ，這樣可以利用狀態(tài)函數(shù)性質求任何過程為焓變熱效應。 pqh 1-4-10 熱力學函數(shù)間的關系熱力學函數(shù)間的關系兩大類狀態(tài)函數(shù)：兩大類狀態(tài)函數(shù)： 可測量可測量 ：p, v, t, cv,m, cp,m不可測量：不可測量：u, h, s, f, g 引入三個復合狀態(tài)數(shù)的目的，是為了應引入三個復合狀態(tài)數(shù)的目的，是為了應用的方便，如用的方便，如: : (2) 在判斷過程的可能性時，在熵判據(jù)的基礎上，引入了兩個狀態(tài)函數(shù)f、g函數(shù)。

51、為了求解一些不可測的狀態(tài)函數(shù)的變化值，必須找出各函數(shù)間的關系，尤其要找出可測量與不可測量之間的函數(shù)關系。1.熱力學基本方程 根據(jù)定義式： pvuhtshgtsufpvfghupvpvtstsg由熱力學第一定律： wqdu如果過程可逆，則：tdsqr另如果：0fw則：pdvw 得：pdvtdsdu幾點說明：i. 使用條件：封閉體系，wf=0ii. 為u=f(s, v)的全微分由 ，結合h、f、g定義式可以導出： pdvtdsdupvuhvdppdvdudh得：vdptdsdh同樣：pdvsdtdfvdpsdtdg上述四個方程式為熱力學基本方程式，表示在封閉體系，wf=0 時，狀態(tài)發(fā)生微小變化時，

52、各狀態(tài)函數(shù)間的定量關系式。 2. 四對偏微分表示式 (1) 從pdvtdsdu和dvvudssudusvu=f(s, v)的全微分：比較兩式，可得：tsuv和pvus或從基本方程式：pdvtdsdutsudvv 0pvudss 0同樣可以得出另外三對變微分關系式：(2) vdptdsdhtshpvphs(3)pdvsdtdfstfvpvft(4)vdpsdtdgstgpvpgt以上四對偏微分關系式的意義：給原來物理意義不明確的偏微分式以明確的物理間意義。如：tsuv在等容過程中，熵的變化引起內能變化的比值為系統(tǒng)的溫度。其中第四對關系式非常重要，以后經(jīng)常要用到。stgpvpgt和(1) 由：dv

53、vudssudusv和tsuv兩邊對v 求偏微分ssvvtsuv兩邊對s 求偏微分vvsspvuspvus二階偏微分與偏微分的先后次序關系，即： vssvvussuvvsspvt3. maxwell關系式也可由熱力學基本方程式：pdvtdsdu直接求二次偏微分：vsspvt同樣可得：(2) vdptdsdhpssvpt(3)pdvsdtdfvttpvs(4)vdpsdtdgpttvps以上四個關系式稱為maxwell 關系式。這些關系式表示簡單體系在平衡時，幾個熱力學函數(shù)之間的關系。這些關系式的一個重要應用是：可用容易由實驗測定的偏微分求解那些不易直接測定的偏微分，如：vttpvspttvps

54、八個熱力學函數(shù)分成：熱力學函數(shù) u h f g 特征函數(shù)熱力學變量 s t v p 特征變量sunst treepeak pv valleyufghstpvufgh從該圖可得到如下信息： (1) 每個特性函數(shù)選哪兩個特征變量作為獨立變量。 如：u=f(s, v)h=f(s, p)f=f(t, v)g=f(t, p)(2) 特征變量組合：s和t，p和v，且有方向性：dst為正， dts為負dpv為正， dvp為負熱力學基本方程式： du=dsdvtp+非平衡態(tài)熱力學 用物理學、化學等方法對生物體進行分析研究時，不外把生物體拆成一些最簡單的部件、把生命過程分解為一些最簡單的過程來進行研究；如生物體

55、的化學組成、這些組分的化學結構、生物體內的體液流動、機械運動和化學反應等等； 在這樣的一些研究中很大部分的問題是可以用經(jīng)典熱力學理論來闡明的。但是，當人們進一步研究生命過程的復雜表現(xiàn)時，如胚胎的發(fā)育、生物的進化、人和動物的行為等等，就不難發(fā)現(xiàn)，生命現(xiàn)象中各種過程是那么精巧地偶合在一起，遠遠超過了人們的想象，因此也遠遠超出了經(jīng)典熱力學的理論框架。 經(jīng)典熱力學處理的問題是平衡態(tài)，它對熵趨向于極大值的論斷是指孤立系而言。生命系統(tǒng)無疑是開放的體系，不斷地與外界進行著物質和能量的交換。所以，研究生命特征的熱力學只能與開放系統(tǒng)、非平衡態(tài)或稱之為不可逆過程的熱力學聯(lián)系在一起。生命是什么（what is li

56、fe） ？schrodinger e. what is life? 2nd ed. london: cambridge univ. press, 1956, 71 一個生命有機體不斷地一個生命有機體不斷地產(chǎn)生正的產(chǎn)生正的熵熵因此就勢必接近具有極大熵值的危因此就勢必接近具有極大熵值的危險狀態(tài)，即死亡。有機體只有不斷地由環(huán)險狀態(tài)，即死亡。有機體只有不斷地由環(huán)境吸取負熵才能維持生存境吸取負熵才能維持生存新陳代謝作新陳代謝作用最基本的內容是有機體成功地使自身放用最基本的內容是有機體成功地使自身放出它活著時不得不產(chǎn)生的全部熵。出它活著時不得不產(chǎn)生的全部熵。因為，經(jīng)典熱力學處理的問題是平衡態(tài)，它對熵趨向于

57、極大值的論斷，是指孤立系統(tǒng)而言的。生命系統(tǒng)，無疑是開放的系統(tǒng)，不斷地與外界進行著物質與能量的交換。所以，研究生命特征的熱力學只能與開放系統(tǒng)、非平衡態(tài)或稱之為不可逆過程的熱力學不可逆過程的熱力學聯(lián)系在一起。生命現(xiàn)象與非平衡熱力學簡介生命現(xiàn)象與非平衡熱力學簡介 公元年，當被科學界公元年，當被科學界譽為現(xiàn)代熱力學的奠基人、比譽為現(xiàn)代熱力學的奠基人、比利時布魯塞爾學派著名的統(tǒng)計利時布魯塞爾學派著名的統(tǒng)計物理學家普里高津，以其創(chuàng)立物理學家普里高津，以其創(chuàng)立的耗散結構理論把當年的諾貝的耗散結構理論把當年的諾貝爾化學獎的桂冠舉過頭頂?shù)臅r爾化學獎的桂冠舉過頭頂?shù)臅r候，這一偉大的時刻終于到來候，這一偉大的時刻終

58、于到來了。人們清楚地知道：普里高了。人們清楚地知道：普里高津所創(chuàng)立的耗散結構理論對于津所創(chuàng)立的耗散結構理論對于整個自然以至社會科學產(chǎn)生的整個自然以至社會科學產(chǎn)生的劃時代的重大影響，遠遠超出劃時代的重大影響，遠遠超出了一次諾貝爾獎的價值。了一次諾貝爾獎的價值。 普里高津（普里高津（i iprigogineprigogine，1917-20031917-2003）于）于19691969年在國年在國際際“理論物理與生物學會議理論物理與生物學會議”上發(fā)表了上發(fā)表了結構、耗散和生結構、耗散和生命命一文，提出了耗散結構理論，把理論熱力學的研究推一文，提出了耗散結構理論，把理論熱力學的研究推向了當代的最高峰

59、。普里高津由于這一重大貢獻，榮獲向了當代的最高峰。普里高津由于這一重大貢獻，榮獲19771977年諾貝爾化學獎。這是普里高津學派年諾貝爾化學獎。這是普里高津學派2020多年從事非平多年從事非平衡熱力學和非平衡統(tǒng)計物理學研究的成果。衡熱力學和非平衡統(tǒng)計物理學研究的成果。 普里高津和他的同事在建立普里高津和他的同事在建立“耗散結構耗散結構”理論時準確地抓理論時準確地抓住了如貝納爾流、住了如貝納爾流、b-zb-z化學波和化學振蕩反應以及生物學化學波和化學振蕩反應以及生物學演化周期等自發(fā)出現(xiàn)有序結構的本質，使用了演化周期等自發(fā)出現(xiàn)有序結構的本質，使用了“自組織自組織”的概念，并且用該概念描述了那些自發(fā)

60、出現(xiàn)或形成有序結的概念，并且用該概念描述了那些自發(fā)出現(xiàn)或形成有序結構的過程，從而在構的過程，從而在“存在存在”和和“演化演化”的兩種科學之間，的兩種科學之間，在兩種文化之間構架了一座科學的橋梁。在兩種文化之間構架了一座科學的橋梁。 自組織現(xiàn)象 熱力學第二定律說明了孤立系統(tǒng)中進行的熱力學第二定律說明了孤立系統(tǒng)中進行的自然過程有方向性：自然過程有方向性： 有序有序 無序無序 （退化，克勞修斯提出）（退化，克勞修斯提出） 自然界實際上也存在許多相反的過程：自然界實際上也存在許多相反的過程：無序無序 有序有序 （進化，達爾文提出）（進化，達爾文提出） 一個系統(tǒng)由無序變?yōu)橛行虻淖匀滑F(xiàn)象稱為一個系統(tǒng)由無序