材料物理學(xué)第51-1-耗散結(jié)構(gòu)課件

第五章材料中的非線性現(xiàn)象§5.1.1耗散結(jié)構(gòu)理論簡介§5.1.2混沌§5.2材料中的分形§5.3相變與臨界現(xiàn)象§5.4相變動(dòng)力學(xué)逾滲§5.5有效媒質(zhì)理論材料物理學(xué)

1第五章材料中的非線性現(xiàn)象材料物理學(xué)

1§5.1-1

耗散結(jié)構(gòu)簡介一.退化與進(jìn)化二.自組織現(xiàn)象和耗散結(jié)構(gòu)三.開放系統(tǒng)的熱力學(xué)第二律四.遠(yuǎn)離平衡態(tài)的分叉現(xiàn)象五.漲落導(dǎo)致有序六.高級分支和混沌狀態(tài)2§5.1-1耗散結(jié)構(gòu)簡介一.退化與進(jìn)化二.自組織現(xiàn)象和

*耗散結(jié)構(gòu)(Dissipativestructure)

耗散結(jié)構(gòu)理論是普利高津（I.Prigoging）于1967年創(chuàng)立，他1977年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。該理論中的許多概念，如開放系統(tǒng)﹑負(fù)熵流﹑突變等，已成為研究自然現(xiàn)象和社會(huì)問題的有力武器。耗散結(jié)構(gòu)泛指一個(gè)系統(tǒng)在非平衡和開放條件下,在與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量的過程中,通過系統(tǒng)內(nèi)部的能量耗散過程產(chǎn)生和維持的某種宏觀的時(shí)(間)-空(間)有序結(jié)構(gòu)。一.退化與進(jìn)化熱力學(xué)：孤立系──能量退化（熱寂論）生物學(xué)：開放系──物種進(jìn)化有序無序退化（克勞修斯）進(jìn)化（達(dá)爾文）時(shí)間箭頭3*耗散結(jié)構(gòu)(Dissi二.自組織現(xiàn)象和耗散結(jié)構(gòu)自組織現(xiàn)象：自發(fā)地由無序變?yōu)橛行虻默F(xiàn)象。在一定外界條件下，系統(tǒng)內(nèi)部這種演化過程叫自組織過程。1.自組織現(xiàn)象中的空間有序結(jié)構(gòu)▲無生命界：

六角形的雪花；

魚鱗狀的云；4二.自組織現(xiàn)象和耗散結(jié)構(gòu)自組織現(xiàn)象：自發(fā)地由無序變?yōu)橛行虻默F(xiàn)貝納德（Benard）對流液體靜止，熱傳導(dǎo)

液體對流傳熱T1=T2T2大導(dǎo)熱板距離很小平衡態(tài)穩(wěn)定的非平衡態(tài)QT2T1>T2，

△T<△TC液體靜止

T1>T2

，T2△T>△TC出現(xiàn)宏觀有序使能量得到更有效的傳遞。蜂窩模式千千萬萬的分子被組織起來，參加一定方式的宏觀定向運(yùn)動(dòng)，對稱對稱對稱破缺5貝納德（Benard）對流液體靜止，熱傳導(dǎo)液體對蛋白質(zhì)大分子鏈由幾十種類型的成千萬個(gè)氨基酸分子按一定的規(guī)律排列而成?！锝绱竽X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)。而地球年齡才幾十億年！而且每一種排列有相等的概率,一次特定的排列。這種有組織的排列決不是隨機(jī)形成的。假定這種排列是隨機(jī)形成的,也要經(jīng)過10109億年才能出現(xiàn)進(jìn)行100次排列,那么即使每秒6蛋白質(zhì)大分子鏈由幾十種類型的成千萬個(gè)氨基酸分子按一定的規(guī)律樹葉有規(guī)則的形狀；動(dòng)物毛皮的花紋；龜背的圖案2.自組織現(xiàn)象中的時(shí)間有序結(jié)構(gòu)▲無生命界：B-Z反應(yīng)

蘇，1958貝魯索夫（Belousov）扎玻庭斯基（Zhabotinski）溴酸氧化反應(yīng)：檸檬酸+丙二酸，鈰(Ce)離子催化。7樹葉有規(guī)則的形狀；動(dòng)物毛皮的花紋；龜背的圖案2.自組反應(yīng)物濃度說明離子濃度出現(xiàn)了時(shí)間有序結(jié)構(gòu)。▲生物界中華鱘回游，侯鳥遷移，…有生命界和無生命界都有共同規(guī)律可循。8反應(yīng)物濃度說明離子濃度出現(xiàn)了時(shí)間有序結(jié)構(gòu)。▲生物界中華鱘要將它們用物理學(xué)規(guī)律統(tǒng)一起來，必須抓住孤立系統(tǒng)與開放系統(tǒng)的區(qū)別。自組織現(xiàn)象是與熱力學(xué)第二定律的有序無序的時(shí)間箭頭不一致的！三.開放系統(tǒng)的熱力學(xué)第二律孤立系統(tǒng)進(jìn)行自發(fā)過程S。這種由于系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)歷的不可逆過程而引起的熵變稱為熵產(chǎn)生，用diS

表示。由熵增加原理：9要將它們用物理學(xué)規(guī)律統(tǒng)一起來，必須抓住孤立系統(tǒng)與開放系統(tǒng)的區(qū)要實(shí)現(xiàn)自組織，系統(tǒng)必須開放。對開放系統(tǒng)，除diS外還有與外界能量或物質(zhì)交換引起的熵變，稱為熵流，用deS

表示。開放系統(tǒng)總熵變──負(fù)熵流──正熵流若負(fù)熵流足夠強(qiáng)，以至有時(shí)，∴

開放系統(tǒng)可能因負(fù)熵流足夠強(qiáng)而實(shí)現(xiàn)自組織。10要實(shí)現(xiàn)自組織，系統(tǒng)必須開放。對開放系統(tǒng)，除diS外還有與例如貝納德實(shí)驗(yàn)中，流體系統(tǒng)是個(gè)開放系統(tǒng)，因?yàn)榧戳鞒龅撵卮笥诹鬟M(jìn)的熵。系統(tǒng)的熵就減少，系統(tǒng)就從無序有序。人體是一個(gè)開放系統(tǒng)，吃飯就是為了產(chǎn)生“負(fù)熵流”。若流進(jìn)流出的熱量記作dQ，流進(jìn)的熵流出的熵所以則若凈流出的熵超過了系統(tǒng)內(nèi)部的“熵產(chǎn)生”，隨著熱量的流進(jìn)流出，系統(tǒng)的熵在變化。11例如貝納德實(shí)驗(yàn)中，流體系統(tǒng)是個(gè)開放系統(tǒng)，因?yàn)榧戳鞒龅撵卮笕魹檎亓?，則系統(tǒng)不會(huì)實(shí)現(xiàn)自組織?？紤]到總有dSi>0，∴即系統(tǒng)經(jīng)歷任何一個(gè)過程后，其熵變永遠(yuǎn)不會(huì)小于熵流

──熱力學(xué)第二定律的普遍形式。四.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)。1.平衡態(tài)熱力學(xué)（經(jīng)典熱力學(xué)）例如,貝納德實(shí)驗(yàn)中T=0的情形。12若為正熵流，則系統(tǒng)不會(huì)實(shí)現(xiàn)自組織?？紤]到總有dSi>例如,貝納德實(shí)驗(yàn)中，T0但較小的情形。2.線性非平衡態(tài)熱力學(xué)(近平衡態(tài)熱力學(xué)）偏離平衡態(tài)很小的系統(tǒng)稱為近平衡系統(tǒng)。近平衡系統(tǒng)二者呈簡單的線性關(guān)系（宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變）非平衡的定態(tài)普里高津指出：近平衡系統(tǒng)取最小值

──最小熵產(chǎn)生原理這說明近平衡態(tài)是穩(wěn)定的。13例如,貝納德實(shí)驗(yàn)中，T0但較小的情形。2.線性而不可能出現(xiàn)自組織現(xiàn)象。3.非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)（遠(yuǎn)離平衡態(tài)熱力學(xué)）已不是簡單的線性關(guān)系，例如，貝納德實(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。下面用圖線來表示以上的三種情況：對于近平衡系統(tǒng)，只要外界作用不變，即使系統(tǒng)內(nèi)有漲落，仍會(huì)回到原非平衡定態(tài)，外界的影響強(qiáng)烈，它引起系統(tǒng)狀態(tài)的變化有它自己特有的規(guī)律。14而不可能出現(xiàn)自組織現(xiàn)象。3.非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)（遠(yuǎn)離平衡態(tài)Xλ控制參量表征定態(tài)的某個(gè)參量分叉現(xiàn)象遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)不穩(wěn)定的熱力學(xué)分支(b)(C)穩(wěn)定的耗散結(jié)構(gòu)分支穩(wěn)定的耗散結(jié)構(gòu)分支(C)（對應(yīng)某種時(shí)空有序狀態(tài)）（穩(wěn)定的非平衡態(tài)）偏離平衡的線性區(qū)CλC(a)穩(wěn)定的熱力學(xué)分支平衡態(tài)λ0X015Xλ控制參量表征定態(tài)的某個(gè)參量分叉現(xiàn)象遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)不非平衡的不穩(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。五.漲落導(dǎo)致有序分叉現(xiàn)象表明，在臨界點(diǎn)附近的微小變化（漲落）可以從根本上改變系統(tǒng)的性質(zhì)，這叫突變現(xiàn)象。自組織總是通過某種突變過程來實(shí)現(xiàn)。

c

的存在是伴隨耗散結(jié)構(gòu)現(xiàn)象的特征。系統(tǒng)處在不同狀態(tài)，漲落的作用可以很不同：16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(耗散結(jié)構(gòu))C點(diǎn)附近漲落微觀客體協(xié)同動(dòng)作非線性因素宏觀有序狀態(tài)不是任何漲落都能得到放大，

耗散結(jié)構(gòu)形成的條件：只有適應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)(c)漲落(a)開放系統(tǒng)(d)正反饋(b)遠(yuǎn)離平衡態(tài)(e)非線性抑制因素素力學(xué)性質(zhì)的那些漲落才能得到系統(tǒng)中絕大多數(shù)微觀客體的響應(yīng)，從而波及整個(gè)系統(tǒng)，推向新的有序結(jié)構(gòu)──耗散結(jié)構(gòu)。將系統(tǒng)17(耗散結(jié)構(gòu))C點(diǎn)附近漲落微觀客體協(xié)同動(dòng)作非線性因素宏觀有序狀例如，假設(shè)某時(shí)刻在某個(gè)平衡態(tài)有如圖所示的漲落（漲落總是存在的）：為簡單起見，假設(shè)右圖是一個(gè)復(fù)雜的波形。可以認(rèn)為它是由許多不同頻率的正弦波按一定比例疊加而成。每一正弦分量稱為一種漲落分量。(傅立葉分析)18例如，假設(shè)某時(shí)刻在某個(gè)平衡態(tài)有如圖為簡單起見，假設(shè)右圖是漲落可以使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生突變。到了宏觀尺度,就使系統(tǒng)進(jìn)入某種有序狀態(tài)?？焖p掉,有的漲落分量卻得到放大。當(dāng)放大重要的不是起補(bǔ)償作用，人轉(zhuǎn)化，與平衡態(tài)或近平衡態(tài)不同,在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的區(qū)域，隨著外界控制條件的變化,有的漲落分量很某種醫(yī)學(xué)理論認(rèn)為病人服用或注射某些藥物，而是造成一種漲落。例如，人體中有不少ATP（三磷酸腺苷），但是冠心病人每次只要注射20mgATP就有明顯療效。它是通過引起某種漲落使病人向健康從而建立一種新的有序狀態(tài)。19漲落可以使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生突變。到了宏觀尺度,就使系統(tǒng)進(jìn)入某種六.高級分支和混沌狀態(tài)混沌狀態(tài)Xλ∞λa1b1b2c1c2d1d2通過倍周期分叉走向混沌。20六.高級分支和混沌狀態(tài)Xλ∞λa1b1b2c1c2d1d2最終走向湍流(混沌)。高級分支現(xiàn)象說明在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)系統(tǒng)可以有多種可能的有序結(jié)構(gòu)。分支中產(chǎn)生的自組織本領(lǐng)，高級分支會(huì)積累起各次變得豐富和完備起來，現(xiàn)出復(fù)雜的時(shí)空行為，生命的進(jìn)化和整個(gè)世界的發(fā)展也可以用高級分支行為來說明。當(dāng)系統(tǒng)偏離平衡態(tài)足夠遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)可能具有的耗散結(jié)構(gòu)也非常多。從而使系統(tǒng)的功能，如貝納德實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)T很大，且繼續(xù)加大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多種花紋的更替，21最終走向湍流(混沌)。高級分支現(xiàn)象說明在遠(yuǎn)離平衡態(tài)瞬時(shí)狀態(tài)的不確定性很大，這種無序態(tài)不同于熱力學(xué)中平衡的無序狀態(tài)。無序的時(shí)空尺度是宏觀量級的，

由于漲落是無法控制和偶然的，所以此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入了一種無序態(tài)。混沌（chaos）狀態(tài)。這種狀態(tài)稱為22瞬時(shí)狀態(tài)的不確定性很大，這種無序態(tài)不同于熱力學(xué)中平衡的無序狀附錄:自組裝1.什么是自組裝？分子自組裝就是在平衡條件下,分子間通過非共價(jià)相互作用自發(fā)組合形成的一類結(jié)構(gòu)明確、穩(wěn)定、具有某種特定功能或性能的分子聚集體或超分子結(jié)構(gòu)。分子自組裝是分子與分子在一定條件下依賴非共價(jià)鍵分子間作用力(氫鍵、范德華力、靜電力、疏水作用力、π-π堆積作用、陽離子-π吸附作用等)自發(fā)連接成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的分子聚集體的過程。23附錄:自組裝1.什么是自組裝？23自組裝與超分子化學(xué)有直接關(guān)系。自組裝是在沒有人介入的情況下自發(fā)完成是組裝的高級層次，其構(gòu)筑單元可以是無機(jī)高分子，有機(jī)小分子，高分子以及生物大分子。分子自組裝和分子自組織在生物體系中是普遍存在的,并且是形成千姿百態(tài)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生命體的基礎(chǔ)。24自組裝與超分子化學(xué)有直接關(guān)系。242.分子識別

分子識別可定義為某給定受體(receptor)對作用物(substrate)或給體(donor)選擇性結(jié)合并產(chǎn)生某種特定功能的過程。它包含兩方面的內(nèi)容:分子間有幾何尺寸、形狀上的相互識別;分子對氫鍵、π-π相互作用等非共價(jià)相互作用的識別。有機(jī)分子晶體是上百萬個(gè)分子通過極其準(zhǔn)確的相互識別自我構(gòu)造的組裝體。252.分子識別分子識別可定義為某給定受體(receptor)識別：指給體（recepter）對作用物（substrate）選擇性結(jié)合，并產(chǎn)生某些特定功能的過程。分子識別與位點(diǎn)識別發(fā)生在分子間的識別過程稱分子識別，發(fā)生在實(shí)體局部間的識別過程稱位點(diǎn)識別。識別過程需要作用物與受體空間配、力場互補(bǔ)（減少應(yīng)變能）?？梢钥闯沙肿有畔⑻幚磉^程26識別：指給體（recepter）對作用物（substrate3.自組裝的分類自然界中有兩種類型的自組裝：熱力學(xué)自組裝,如雨滴,它呈現(xiàn)出能量穩(wěn)定性最大的形式。編碼自組裝,有機(jī)分子自組裝成有一定功能的組織器官的過程?？刂平M裝次序的指令信息就包含于組分之中,信息傳遞靠分子識別進(jìn)行錯(cuò)誤的信息傳遞就會(huì)使形成的自組裝體系出現(xiàn)功能缺陷。因而分子識別是極其重要的273.自組裝的分類自然界中有兩種類型的自組裝：27靜態(tài)自組裝與動(dòng)態(tài)自組裝目前大部分的自組裝都是靜態(tài)的。動(dòng)態(tài)自組裝涉及能量振蕩化學(xué)反應(yīng)生物細(xì)胞形成的超分子體系，具有自修復(fù)和自復(fù)制的特征。28靜態(tài)自組裝與動(dòng)態(tài)自組裝目前大部分的自組裝都是靜態(tài)的。284.對自組裝的認(rèn)識自組裝起源于弱互作用，但弱互作用間會(huì)發(fā)生疊加和協(xié)同作用，并具有一定的方向性和選擇性，產(chǎn)生的結(jié)果是轉(zhuǎn)換為強(qiáng)結(jié)合。要認(rèn)識這種分子間協(xié)同作用的本質(zhì)與規(guī)律才能使分子自組裝真正走向自由王國。294.對自組裝的認(rèn)識自組裝起源于弱互作用，但弱互作用間會(huì)發(fā)生疊人在自組裝中的作用，是設(shè)計(jì)產(chǎn)物、啟動(dòng)過程，過程開始就不需外界作用。使用自組裝是一種自下而上的加工技術(shù)?？稍诟鼜V范圍內(nèi)選擇材料，制作材料的多樣性（單分子層、單分子膜、囊泡、膠束，微管，小棒，低維材料與復(fù)合體等）應(yīng)用的多種性：微電子、光電子、傳感器，生物。30人在自組裝中的作用，是設(shè)計(jì)產(chǎn)物、啟動(dòng)過程，過程開始就不需外界ENDEND第五章材料中的非線性現(xiàn)象§5.1.1耗散結(jié)構(gòu)理論簡介§5.1.2混沌§5.2材料中的分形§5.3相變與臨界現(xiàn)象§5.4相變動(dòng)力學(xué)逾滲§5.5有效媒質(zhì)理論材料物理學(xué)

32第五章材料中的非線性現(xiàn)象材料物理學(xué)

1§5.1-1

耗散結(jié)構(gòu)簡介一.退化與進(jìn)化二.自組織現(xiàn)象和耗散結(jié)構(gòu)三.開放系統(tǒng)的熱力學(xué)第二律四.遠(yuǎn)離平衡態(tài)的分叉現(xiàn)象五.漲落導(dǎo)致有序六.高級分支和混沌狀態(tài)33§5.1-1耗散結(jié)構(gòu)簡介一.退化與進(jìn)化二.自組織現(xiàn)象和

*耗散結(jié)構(gòu)(Dissipativestructure)

耗散結(jié)構(gòu)理論是普利高津（I.Prigoging）于1967年創(chuàng)立，他1977年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。該理論中的許多概念，如開放系統(tǒng)﹑負(fù)熵流﹑突變等，已成為研究自然現(xiàn)象和社會(huì)問題的有力武器。耗散結(jié)構(gòu)泛指一個(gè)系統(tǒng)在非平衡和開放條件下,在與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量的過程中,通過系統(tǒng)內(nèi)部的能量耗散過程產(chǎn)生和維持的某種宏觀的時(shí)(間)-空(間)有序結(jié)構(gòu)。一.退化與進(jìn)化熱力學(xué)：孤立系──能量退化（熱寂論）生物學(xué)：開放系──物種進(jìn)化有序無序退化（克勞修斯）進(jìn)化（達(dá)爾文）時(shí)間箭頭34*耗散結(jié)構(gòu)(Dissi二.自組織現(xiàn)象和耗散結(jié)構(gòu)自組織現(xiàn)象：自發(fā)地由無序變?yōu)橛行虻默F(xiàn)象。在一定外界條件下，系統(tǒng)內(nèi)部這種演化過程叫自組織過程。1.自組織現(xiàn)象中的空間有序結(jié)構(gòu)▲無生命界：

六角形的雪花；

魚鱗狀的云；35二.自組織現(xiàn)象和耗散結(jié)構(gòu)自組織現(xiàn)象：自發(fā)地由無序變?yōu)橛行虻默F(xiàn)貝納德（Benard）對流液體靜止，熱傳導(dǎo)

液體對流傳熱T1=T2T2大導(dǎo)熱板距離很小平衡態(tài)穩(wěn)定的非平衡態(tài)QT2T1>T2，

△T<△TC液體靜止

T1>T2

，T2△T>△TC出現(xiàn)宏觀有序使能量得到更有效的傳遞。蜂窩模式千千萬萬的分子被組織起來，參加一定方式的宏觀定向運(yùn)動(dòng)，對稱對稱對稱破缺36貝納德（Benard）對流液體靜止，熱傳導(dǎo)液體對蛋白質(zhì)大分子鏈由幾十種類型的成千萬個(gè)氨基酸分子按一定的規(guī)律排列而成?！锝绱竽X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)。而地球年齡才幾十億年！而且每一種排列有相等的概率,一次特定的排列。這種有組織的排列決不是隨機(jī)形成的。假定這種排列是隨機(jī)形成的,也要經(jīng)過10109億年才能出現(xiàn)進(jìn)行100次排列,那么即使每秒37蛋白質(zhì)大分子鏈由幾十種類型的成千萬個(gè)氨基酸分子按一定的規(guī)律樹葉有規(guī)則的形狀；動(dòng)物毛皮的花紋；龜背的圖案2.自組織現(xiàn)象中的時(shí)間有序結(jié)構(gòu)▲無生命界：B-Z反應(yīng)

蘇，1958貝魯索夫（Belousov）扎玻庭斯基（Zhabotinski）溴酸氧化反應(yīng)：檸檬酸+丙二酸，鈰(Ce)離子催化。38樹葉有規(guī)則的形狀；動(dòng)物毛皮的花紋；龜背的圖案2.自組反應(yīng)物濃度說明離子濃度出現(xiàn)了時(shí)間有序結(jié)構(gòu)。▲生物界中華鱘回游，侯鳥遷移，…有生命界和無生命界都有共同規(guī)律可循。39反應(yīng)物濃度說明離子濃度出現(xiàn)了時(shí)間有序結(jié)構(gòu)?！锝缰腥A鱘要將它們用物理學(xué)規(guī)律統(tǒng)一起來，必須抓住孤立系統(tǒng)與開放系統(tǒng)的區(qū)別。自組織現(xiàn)象是與熱力學(xué)第二定律的有序無序的時(shí)間箭頭不一致的！三.開放系統(tǒng)的熱力學(xué)第二律孤立系統(tǒng)進(jìn)行自發(fā)過程S。這種由于系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)歷的不可逆過程而引起的熵變稱為熵產(chǎn)生，用diS

表示。由熵增加原理：40要將它們用物理學(xué)規(guī)律統(tǒng)一起來，必須抓住孤立系統(tǒng)與開放系統(tǒng)的區(qū)要實(shí)現(xiàn)自組織，系統(tǒng)必須開放。對開放系統(tǒng)，除diS外還有與外界能量或物質(zhì)交換引起的熵變，稱為熵流，用deS

表示。開放系統(tǒng)總熵變──負(fù)熵流──正熵流若負(fù)熵流足夠強(qiáng)，以至有時(shí)，∴

開放系統(tǒng)可能因負(fù)熵流足夠強(qiáng)而實(shí)現(xiàn)自組織。41要實(shí)現(xiàn)自組織，系統(tǒng)必須開放。對開放系統(tǒng)，除diS外還有與例如貝納德實(shí)驗(yàn)中，流體系統(tǒng)是個(gè)開放系統(tǒng)，因?yàn)榧戳鞒龅撵卮笥诹鬟M(jìn)的熵。系統(tǒng)的熵就減少，系統(tǒng)就從無序有序。人體是一個(gè)開放系統(tǒng)，吃飯就是為了產(chǎn)生“負(fù)熵流”。若流進(jìn)流出的熱量記作dQ，流進(jìn)的熵流出的熵所以則若凈流出的熵超過了系統(tǒng)內(nèi)部的“熵產(chǎn)生”，隨著熱量的流進(jìn)流出，系統(tǒng)的熵在變化。42例如貝納德實(shí)驗(yàn)中，流體系統(tǒng)是個(gè)開放系統(tǒng)，因?yàn)榧戳鞒龅撵卮笕魹檎亓鳎瑒t系統(tǒng)不會(huì)實(shí)現(xiàn)自組織?？紤]到總有dSi>0，∴即系統(tǒng)經(jīng)歷任何一個(gè)過程后，其熵變永遠(yuǎn)不會(huì)小于熵流

──熱力學(xué)第二定律的普遍形式。四.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)。1.平衡態(tài)熱力學(xué)（經(jīng)典熱力學(xué)）例如,貝納德實(shí)驗(yàn)中T=0的情形。43若為正熵流，則系統(tǒng)不會(huì)實(shí)現(xiàn)自組織?？紤]到總有dSi>例如,貝納德實(shí)驗(yàn)中，T0但較小的情形。2.線性非平衡態(tài)熱力學(xué)(近平衡態(tài)熱力學(xué)）偏離平衡態(tài)很小的系統(tǒng)稱為近平衡系統(tǒng)。近平衡系統(tǒng)二者呈簡單的線性關(guān)系（宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變）非平衡的定態(tài)普里高津指出：近平衡系統(tǒng)取最小值

──最小熵產(chǎn)生原理這說明近平衡態(tài)是穩(wěn)定的。44例如,貝納德實(shí)驗(yàn)中，T0但較小的情形。2.線性而不可能出現(xiàn)自組織現(xiàn)象。3.非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)（遠(yuǎn)離平衡態(tài)熱力學(xué)）已不是簡單的線性關(guān)系，例如，貝納德實(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。下面用圖線來表示以上的三種情況：對于近平衡系統(tǒng)，只要外界作用不變，即使系統(tǒng)內(nèi)有漲落，仍會(huì)回到原非平衡定態(tài)，外界的影響強(qiáng)烈，它引起系統(tǒng)狀態(tài)的變化有它自己特有的規(guī)律。45而不可能出現(xiàn)自組織現(xiàn)象。3.非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)（遠(yuǎn)離平衡態(tài)Xλ控制參量表征定態(tài)的某個(gè)參量分叉現(xiàn)象遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)不穩(wěn)定的熱力學(xué)分支(b)(C)穩(wěn)定的耗散結(jié)構(gòu)分支穩(wěn)定的耗散結(jié)構(gòu)分支(C)（對應(yīng)某種時(shí)空有序狀態(tài)）（穩(wěn)定的非平衡態(tài)）偏離平衡的線性區(qū)CλC(a)穩(wěn)定的熱力學(xué)分支平衡態(tài)λ0X046Xλ控制參量表征定態(tài)的某個(gè)參量分叉現(xiàn)象遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)不非平衡的不穩(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。五.漲落導(dǎo)致有序分叉現(xiàn)象表明，在臨界點(diǎn)附近的微小變化（漲落）可以從根本上改變系統(tǒng)的性質(zhì)，這叫突變現(xiàn)象。自組織總是通過某種突變過程來實(shí)現(xiàn)。

c

的存在是伴隨耗散結(jié)構(gòu)現(xiàn)象的特征。系統(tǒng)處在不同狀態(tài)，漲落的作用可以很不同：47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(耗散結(jié)構(gòu))C點(diǎn)附近漲落微觀客體協(xié)同動(dòng)作非線性因素宏觀有序狀態(tài)不是任何漲落都能得到放大，

耗散結(jié)構(gòu)形成的條件：只有適應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)(c)漲落(a)開放系統(tǒng)(d)正反饋(b)遠(yuǎn)離平衡態(tài)(e)非線性抑制因素素力學(xué)性質(zhì)的那些漲落才能得到系統(tǒng)中絕大多數(shù)微觀客體的響應(yīng)，從而波及整個(gè)系統(tǒng)，推向新的有序結(jié)構(gòu)──耗散結(jié)構(gòu)。將系統(tǒng)48(耗散結(jié)構(gòu))C點(diǎn)附近漲落微觀客體協(xié)同動(dòng)作非線性因素宏觀有序狀例如，假設(shè)某時(shí)刻在某個(gè)平衡態(tài)有如圖所示的漲落（漲落總是存在的）：為簡單起見，假設(shè)右圖是一個(gè)復(fù)雜的波形?？梢哉J(rèn)為它是由許多不同頻率的正弦波按一定比例疊加而成。每一正弦分量稱為一種漲落分量。(傅立葉分析)49例如，假設(shè)某時(shí)刻在某個(gè)平衡態(tài)有如圖為簡單起見，假設(shè)右圖是漲落可以使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生突變。到了宏觀尺度,就使系統(tǒng)進(jìn)入某種有序狀態(tài)?？焖p掉,有的漲落分量卻得到放大。當(dāng)放大重要的不是起補(bǔ)償作用，人轉(zhuǎn)化，與平衡態(tài)或近平衡態(tài)不同,在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的區(qū)域，隨著外界控制條件的變化,有的漲落分量很某種醫(yī)學(xué)理論認(rèn)為病人服用或注射某些藥物，而是造成一種漲落。例如，人體中有不少ATP（三磷酸腺苷），但是冠心病人每次只要注射20mgATP就有明顯療效。它是通過引起某種漲落使病人向健康從而建立一種新的有序狀態(tài)。50漲落可以使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生突變。到了宏觀尺度,就使系統(tǒng)進(jìn)入某種六.高級分支和混沌狀態(tài)混沌狀態(tài)Xλ∞λa1b1b2c1c2d1d2通過倍周期分叉走向混沌。51六.高級分支和混沌狀態(tài)Xλ∞λa1b1b2c1c2d1d2最終走向湍流(混沌)。高級分支現(xiàn)象說明在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)系統(tǒng)可以有多種可能的有序結(jié)構(gòu)。分支中產(chǎn)生的自組織本領(lǐng)，高級分支會(huì)積累起各次變得豐富和完備起來，現(xiàn)出復(fù)雜的時(shí)空行為，生命的進(jìn)化和整個(gè)世界的發(fā)展也可以用高級分支行為來說明。當(dāng)系統(tǒng)偏離平衡態(tài)足夠遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)可能具有的耗散結(jié)構(gòu)也非常多。從而使系統(tǒng)的功能，如貝納德實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)T很大，且繼續(xù)加大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多種花紋的更替，52最終走向湍流(混沌)。高級分支現(xiàn)象說明在遠(yuǎn)離平衡態(tài)瞬時(shí)狀態(tài)的不確定性很大，這種無序態(tài)不同于熱力學(xué)中平衡的無序狀態(tài)。無序的時(shí)空尺度是宏觀量級的，

由于漲落是無法控制和偶然的，所以此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入了一種無序態(tài)?；煦纾╟haos）狀態(tài)。這種狀態(tài)稱為53瞬時(shí)狀態(tài)的不確定性很大，這種無序態(tài)不同于熱力學(xué)中平衡的無序狀附錄:自組裝1.什么是自組裝？分子自組裝就是在平衡條件下,分子間通過非共價(jià)相互作用自發(fā)組合形成的一類結(jié)構(gòu)明確、穩(wěn)定、具有某種特定功能或性能的分子聚集體或超分子結(jié)構(gòu)。分子自組裝是分子與分子在一定條件下依賴非共價(jià)鍵分子間作用力(氫鍵、范德華力、靜電力、疏水作用力、π-π堆積作用、陽離子-π吸附作用等)自發(fā)連接成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的分子聚集體的過程。54附錄:自組裝1.什么