熱力學第二定律-耗散結構-圖文

熱力學第二定律-耗散結構_圖文.ppt第四章

熱力學第二定律2*耗散結構介紹耗散結構理論：普利高津（I.Prigoging,比利時)1967年創(chuàng)立,1977年獲諾貝爾化學獎。自組織現(xiàn)象開放系統(tǒng)的熵變遠離平衡態(tài)的分叉現(xiàn)象通過漲落達到有序3有序與無序熱力學第二定律說明了孤立系統(tǒng)中的自然過程有方向性：但是，自然界實際上也存在許多過程:（退化；克勞修斯）有序無序無序有序（進化；達爾文）生命過程無序到有序孤立系統(tǒng)有序到無序4自組織現(xiàn)象（1）無生命開放系統(tǒng)的自組織現(xiàn)象自組織現(xiàn)象：開放系統(tǒng)內(nèi)部由無序變?yōu)橛行颍蛊渲写罅糠肿踊騿卧匆欢ㄒ?guī)律運動的現(xiàn)象

如六角形的雪花；

魚鱗狀的云;

激光5無生命自組織現(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hT12T

當T=T1-T2=0

平衡態(tài)當T>0,不太大時,穩(wěn)定的非平衡態(tài)當T增大到T出現(xiàn)有序的宏觀對流6貝納爾德對流7有序對流效率更高2T

1T

2>T

T

1有序對流h千千萬萬的分子被組織起來，參加一定方式的宏觀定向運動，能量得到更有效的傳遞。水管中的沙團8激光－時間自組織能量<某一閾值時原子發(fā)出光子的頻率和位相無序能量>某一閾值時原子“集體一致行動”，發(fā)出頻率和位相都相同的光子－產(chǎn)生激光。體系有序。9食物中混亂無序的原子DNA（RNA）分子－高度有序的結構

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

蛋白質大分子鏈由幾十種類型的成千上萬個氨基酸分子按一定的規(guī)律排列起來組成。假定蛋白質是隨機形成的,而且每一種排列有相等的概率,那么即使每秒進行100次排列,也要經(jīng)過億年才能出現(xiàn)一次特殊的排列，這種有組織的排列決不是隨機形成的。生命組織不是隨機過程的產(chǎn)物12

樹葉有規(guī)則的形狀;動物毛皮有花紋;蜜蜂窩;龜背------(空間有序)(時間有序）

候鳥的遷移;中華鱘的徊游------13（3）社會現(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)部的不可逆過程引起。

de

S

：熵流，可正可負。由系統(tǒng)與外部的能量和物質交換引起。dS=di

S+de

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

S<0

且

|de

S|>diS系統(tǒng)的熵dS=diS+de

S<0使系統(tǒng)由無序變到有序自組織現(xiàn)象的解釋16負熵流貝納特實驗中，流體系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)，隨著熱量的流進流出，系統(tǒng)的熵在變化。若流進流出的熱量相等,為dQ。流進的熵流出的熵因為所以即流出的熵大于流進的熵。若凈流出的熵超過了系統(tǒng)內(nèi)部的“熵產(chǎn)生”，系統(tǒng)的熵就減少，系統(tǒng)就從無序有序。17遠離平衡態(tài)的分叉現(xiàn)象主要研究平衡態(tài)的性質.例如,貝納特實驗中

T=0的情形。1.平衡態(tài)熱力學(經(jīng)典熱力學)例如,貝納特實驗中，

T0（但較?。┑那樾巍＿€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)的變化可以看成簡單的線性關系.2.線性非平衡態(tài)熱力學(近平衡態(tài)熱力學）3.非線性非平衡態(tài)熱力學(遠離平衡態(tài)熱力學)外界的影響強烈,它引起系統(tǒng)狀態(tài)的變化已不能看成簡單的線性關系，有它自己特有的規(guī)律.例如,貝納特實驗中時的情形.這時,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)遠離平衡（l>lc）

耗散結構非平衡定態(tài)（l<lc）

混沌態(tài)(chaoticstate)耗散結構和混沌態(tài)19耗散結構：遠離平衡態(tài)出現(xiàn)較為穩(wěn)定的有序態(tài)的結構耗散結構與自組織現(xiàn)象混沌態(tài):當進一步遠離平衡態(tài)，出現(xiàn)二級和高級分叉的現(xiàn)象?？赡艹霈F(xiàn)各種有序結構，但很難預測。形成一個耗散結構必須有以下五個條件:1.開放系統(tǒng)2.遠離平衡態(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（開放系統(tǒng)）才能造成粒子數(shù)反轉的狀態(tài)（遠離平衡態(tài)）。當有能量

的一個光子入射時（漲落）可以引起受激輻射光放大出來兩個全同光子。激光21但激光的強度不會無限增大下去,在光強增大,粒子數(shù)反轉的程度會減弱--它相應地使受激輻射的光強減小(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),激勵能源全反射鏡部分反射鏡激光輸出激光22關于熱寂說“宇宙不是孤立系統(tǒng)，不能用熱力學第二定律”“宇宙是無限的，熱力學第二定律是在有限范圍得出的規(guī)律”

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

系統(tǒng)（T1）直接與熱源（T2