补充熵概念推广耗散结构

1、第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容补充内容补充内容: :熵概念的推广熵概念的推广一、一、 熵与能量熵与能量二、二、 熵与时间熵与时间三、三、 熵与生命熵与生命四、四、 熵与信息熵与信息五、五、 熵与社会熵与社会第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容一、熵与能量一、熵与能量 热热 律：律： 能量守恒能量守恒 热热 律：律： 能量转化能力能量转化能力有序有序无序无序能力强能力强能力弱能力弱有序到无序能量转化过程不可逆有序到无序能量转化过程不可逆 一部分能量不能再作功一部分能量不能再作功 -能

2、量退化能量退化第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容对热对热 律深入认识律深入认识A)能量退化角度认识能量退化角度认识 孤立系统内发生的自发过程孤立系统内发生的自发过程 必然导致能量的退化必然导致能量的退化B)熵的角度认识熵的角度认识 孤立系统孤立系统 导致熵的增加导致熵的增加熵是能量不可用程度的量度熵是能量不可用程度的量度能量危机能量危机 就是熵的危机就是熵的危机第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容二二 、熵与时间、熵与时间1. 1. 时间反演的对称性时间反演的对称性 物理学中很多领域物

3、理学中很多领域 时间本质上都在描述可逆过程时间本质上都在描述可逆过程 从现在可知过去从现在可知过去 也可知道未来也可知道未来2.2.自然界存在的基本不对称性自然界存在的基本不对称性 热现象不具有时间反演对称性热现象不具有时间反演对称性第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容 数学家数学家 史蒂芬指出：史蒂芬指出： 至少存在三个时间箭头至少存在三个时间箭头 将过去和将来分开将过去和将来分开三个箭头所指方向一致三个箭头所指方向一致热力学箭头热力学箭头无序度增加的时间方向无序度增加的时间方向只能记住过去只能记住过去 心理学箭头心理学箭头宇宙膨胀宇宙膨

4、胀宇宙学箭头宇宙学箭头第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容三、熵与生命三、熵与生命 热热 律：孤立系统律：孤立系统 无序度增加无序度增加 熵增加熵增加 但生物进化过程：成长过程有序度增加但生物进化过程：成长过程有序度增加SSSiedddSid熵产生熵产生 内部内部( (恒为正恒为正) )Sed熵流熵流 外界外界( (可正可正 可负可负 可零可零) )开放系统：开放系统：第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容有序度增加有序度增加 从一种从一种有序到更高级的有序有序到更高级的有序0SdSSie

5、dd成熟阶段成熟阶段维持一种有序维持一种有序 有序度下降有序度下降生物系统在短期内或生物系统在短期内或局部熵积累过多局部熵积累过多 病态病态称负熵流称负熵流0Sed如如果果0Sd0Sd衰亡阶段衰亡阶段SSiedd第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容从物理学的角度看从物理学的角度看 治疗的目的在于消除积熵治疗的目的在于消除积熵薛定谔说：生命赖负熵以存在薛定谔说：生命赖负熵以存在玻耳兹曼说：生物为了生存而作的一般斗争玻耳兹曼说：生物为了生存而作的一般斗争 既不是为了物质既不是为了物质 也不是为了能量也不是为了能量 而是为了熵而斗争而是为了熵而斗

6、争生物从外界吸收负熵是以更大范围的熵增为代价生物从外界吸收负熵是以更大范围的熵增为代价的的第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容四、熵与信息四、熵与信息 香农：信息是事物肯定程度的量度香农：信息是事物肯定程度的量度 熵增等于信息的减少熵增等于信息的减少 信息与负熵等效信息与负熵等效信息熵信息熵ln1 ln2SkPk 对某种事物作出完全判断所缺的信息量对某种事物作出完全判断所缺的信息量信息的获得意味着各种可信息的获得意味着各种可能性中概率分布的集中能性中概率分布的集中五、五、 熵与社会可持续发展、环保熵与社会可持续发展、环保第八章第八章 热力学

7、基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容 一、一、 问题的提出问题的提出 二、二、 自组织现象自组织现象 三、三、 孤立系统孤立系统 开放系统开放系统补充内容补充内容2：耗散结构：耗散结构第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容一、一、 问题的提出退化与进化问题的提出退化与进化1.按克劳修斯热力学理论按克劳修斯热力学理论初态初态末态末态有序有序无序无序非平衡非平衡平衡平衡退化退化孤立系统朝均匀孤立系统朝均匀 简单简单 消除差异的方向发展消除差异的方向发展熵增加熵增加能量退化能量退化第八章第八章 热力学基础热力学基础

8、物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容2. 按达尔文进化论按达尔文进化论生物由单细胞生物由单细胞人人进化进化(极为有序极为有序)越来越复杂越来越复杂 越来越有序越来越有序 ( (熵减少熵减少) )第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容( (蜂窝蜂窝 毛皮花纹毛皮花纹) )二、二、 自组织现象自组织现象1.自组织现象自组织现象在一定外界条件下在一定外界条件下 系统内部系统内部自发地由无序自发地由无序 有序的现象有序的现象无生命和有生命世界无生命和有生命世界都有自组织现象都有自组织现象( (变为有序变为有序) )空间有序空间有序

9、时间有序时间有序( (候鸟迁徙候鸟迁徙) )第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容2. 耗散结构耗散结构-自组织形成的有序结构自组织形成的有序结构自组织现象是自发进行的自组织现象是自发进行的 但但 需外界提供触发条件需外界提供触发条件 耗散外界的能量耗散外界的能量 质量质量第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容三、三、 孤立系统孤立系统 开放系统开放系统 热力学第二律的普遍形式热力学第二律的普遍形式1. 孤立系统孤立系统自发过程：自发过程：有序有序 无序无序内部不可逆过程引起的熵变内部不可逆

10、过程引起的熵变-熵产生熵产生 di S由熵增加原理由熵增加原理外界外界孤立系统孤立系统di S( (和外界无能量和物质的交换和外界无能量和物质的交换) )0Sid第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容2. 开放系统开放系统 ( (和外界有能量和物质的交换和外界有能量和物质的交换) ) 熵变熵变di S (系统熵产生系统熵产生)de S (与外界交换能量和物质引起的熵变与外界交换能量和物质引起的熵变 ) -熵流熵流 de S 可可 0 (正熵流正熵流)外界外界系统系统di Sde S实现自组织现象系统必须开放实现自组织现象系统必须开放第八章第八

11、章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容开放系统总熵变：开放系统总熵变：1) )若若 deS di S( 0 )则则 dS = di S + deS 0负熵流可使开放系统熵减少负熵流可使开放系统熵减少 变得更有序变得更有序 实现自组织实现自组织2) )若若 deS 0 (正熵流正熵流)则则 dS = di S + deS 0Sid第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容开放系统自外界吸取能量开放系统自外界吸取能量 即输入负熵即输入负熵 对孤立系统对孤立系统 deS = 0 开放系统的熵可增开放系统的熵可增

12、 可减可减dS = di S 0( (回到原来的热二律回到原来的热二律) )第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容普里高津普里高津(I.Prigoging 比利时比利时)1967年年 提出耗散结构提出耗散结构1977年年 获获 Nobel Prize (化学化学4.生命过程生命过程耗散结构打开从耗散结构打开从 物理科学物理科学 生命科学生命科学 的窗口的窗口第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容生命过程生命过程-耗散过程耗散过程 要活着要活着-身体保持低熵状态身体保持低熵状态热平衡热平衡-死亡死亡薛定谔：薛定谔：生命是什么生命是什么? ?“生命之所以能存在，就在于从环境生命之所以能存在，就在于从环境 中不断得到中不断得到 负熵负熵”“有机体是依赖负熵为生的有机体是依赖负熵为生的 ” ”-生命的热力学基础生命的热力学基础高熵高熵-混乱混乱第八章第八章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）补充内容补充内容( (碳水化合物碳水化合物 净水净水) ) 物质物质( (化学能化学能) )能量能量负熵负熵( (CO2 污水污水 排泄物等排泄物等) ) 物质物质能量能量( (功功 热热) )正熵正熵有有 机机 体体开放