自然辩证法自然界的演化发展

自然界的演化发展谷晓芸1本文档共84页；当前第1页；编辑于星期三\16点6分自然界的演化过程自然界不仅是存在着，而且是生成着并消逝着。自然界是由一系列转化过程构成的“过程的集合体”，一切事物都有其产生发展灭亡的过程。这里以下面几个为例来说明一、宇宙的起源与演化二、恒星的起源与演化三、生命的起源与进化四、人类的产生与发展2本文档共84页；当前第2页；编辑于星期三\16点6分一、宇宙的起源与演化现代宇宙学是以广义相对论为基础的理论，以哈勃定律为观测依据，并在宇宙学原理的假设下，研究宇宙整体的结构、运动和演化规律的一门学科。现代宇宙学关于宇宙的模型较多，如爱因斯坦静态有限无边宇宙模型弗里德曼膨胀宇宙模型恒稳态宇宙模型大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型为大多数科学家所接受，通常称为“标准宇宙模型”。这里着重讲这个模型3本文档共84页；当前第3页；编辑于星期三\16点6分爱因斯坦静态有限无边的宇宙模型（1917）这是历史上第一个关于宇宙运动自洽而统一的动力学模型。由于当时尚未发现河外星系普遍退行现象，爱因斯坦相信宇宙在大尺度上的特征是不应该随时间而变化的。1929年哈勃红移发现后，这个模型被抛弃。但这个模型开创了现代宇宙学研究。4本文档共84页；当前第4页；编辑于星期三\16点6分弗里德曼膨胀宇宙模型（1922）弗里德曼在解爱因斯坦引力场方程时，得到一个均匀、各向同性的宇宙动态时空度规。由此得到宇宙空间随时间膨胀的观念，哈勃红移发现后，这个模型受到重视。奇点是演化态宇宙学的难题。注：哈勃定律：

V0=cZ=H0D其中V0是星系退行速度，c是光速，Z是谱线的移量，D是星系离我们的距离，H0是哈勃常数。

H0=15（千米/秒）/百万光年5本文档共84页；当前第5页；编辑于星期三\16点6分恒稳态宇宙模型1948年英国天文学家H·邦迪、霍伊尔、戈尔德共同提出。这个模型认为宇宙是不断膨胀的，其密度保持不变，好处在于不存在奇点问题，但困难在于如何说明物质从虚空中产生。这个模型已经证明是错误的。6本文档共84页；当前第6页；编辑于星期三\16点6分勒梅特的大爆炸假说1927年，比利时天文学家勒梅特发表大爆炸(BigBang)理论，认为宇宙在此之前是零体积，就是说宇宙内任何两点之间是零距离，物质密度是无限大，宇宙在此之前没有“从前”。突然间，这个零体积的原始原子发生爆炸(点无大小)，不仅物质出现，时间－空间的结构也存在了。勒梅特的假说是大爆炸理论的开始。7本文档共84页；当前第7页；编辑于星期三\16点6分伽莫夫的大爆炸假说1948年，美国物理学家伽莫夫等人受奥本海默的核爆炸研究工作的启发，把核物理知识与宇宙膨胀理论结合起来，提出宇宙起源于一个温度极高（约150亿度）、密度极大、由中子组成的"原始火球"的假说，这个假说发展了勒梅特的大爆炸理论，并说明了化学元素的起源。伽莫夫8本文档共84页；当前第8页；编辑于星期三\16点6分伽莫夫的大爆炸假说伽莫夫认为：“原始火球”充满了辐射和基本粒子，后来由于球内的基本粒子的相互作用发生核聚变反应，引起了爆炸，并向外膨胀；后来辐射温度和物质密度急速下降，热核反应停止，其间产生了各种元素，这些元素的演变便形成了今天宇宙中的各种物质。9本文档共84页；当前第9页；编辑于星期三\16点6分根据大爆炸宇宙论，宇宙的演化经历了以下几个阶段：1）、基本粒子形成阶段2）、辐射或核合成阶段3）、实物阶段从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：大爆炸宇宙论（big-bangcosmology）：10本文档共84页；当前第10页；编辑于星期三\16点6分大爆炸开始时150－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。大爆炸后10-43秒宇宙从量子背景出现。大爆炸后10-35秒同一场分解为强力、电力、弱力和引力。大爆炸后10-5秒10万亿度（1013K），质子和中子形成。大爆炸后0.01秒1000亿度（1011K），光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。大爆炸后0.1秒后300亿度（3×1010K），中子质子比从1.0下降到0.61。11本文档共84页；当前第11页；编辑于星期三\16点6分大爆炸后1秒后100亿度（1010

K），中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。大爆炸后13.8秒后30亿度（3×109

K），氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。大爆炸后35分钟后3亿度（3×108K），核过程停止，尚不能形成中性原子。大爆炸后30万年后3000度（3×103

K），化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。12本文档共84页；当前第12页；编辑于星期三\16点6分大爆炸理论中宇宙的演化历程13本文档共84页；当前第13页；编辑于星期三\16点6分大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：1）河外星系的谱线红移。观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。2）3K宇宙微波背景辐射。（彭齐斯、威尔逊）

3）氦的丰度。在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。4）天体的年龄。大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。14本文档共84页；当前第14页；编辑于星期三\16点6分二、恒星的起源与演化根据弥漫说的理论（星云说），恒星的起源与演化可划分为引力收缩、主序星、红巨星、高密恒星等几个阶段。1、引力收缩阶段（原恒星）星云物质在演化过程中，由于自身的引力而收缩。在收缩过程中内部温度升高，当云团中心温度达到2000K时，中心形成内核，来自恒星内部的辐射压将周围物质驱散，恒星逐渐露出，恒星“婴儿”——“红外星”就诞生了。15本文档共84页；当前第15页；编辑于星期三\16点6分2、主序星阶段当恒星中心温度达到700万度以上时，开始核聚变反应，氢聚变为氦，恒星停止收缩，形成了正常的恒星，进入了主序星阶段。主序星阶段占恒星一生寿命的90%，是恒星最稳定的阶段。质量不同的恒星，主序星阶段长短不同。质量越大寿命越短。太阳约为100亿年。3、红巨星阶段随着核聚变的进行，恒星中心的氦核越来越多，氦核周围的氢越来越少，当氦核质量占到恒星质量的12%时，反应便逐渐从中心区向外停止，从而辐射压力减少，恒星再次出现“引力坍缩”，释放出巨大的引力势能，使中心温度升高至上亿度，引起三个氦核聚变为一个碳核的新的核反应。恒星外层膨胀，体积急剧增大，表面温度降低，内部的引力和斥力又达到平衡。恒星脱离主序星阶段，进入了老年期——红巨星。太阳将在这阶段停留约10亿年。16本文档共84页；当前第16页；编辑于星期三\16点6分4、高密恒星阶段质量小于1.44太阳质量的恒星则比较平稳地抛出物质，形成行星状星云，中央残核留有一颗致密天体——白矮星。质量1.44<m<3.2太阳质量的恒星就可能演化为中子星；更大质量的恒星后期要发生塌缩或大爆发，中心成为黑洞。17本文档共84页；当前第17页；编辑于星期三\16点6分18本文档共84页；当前第18页；编辑于星期三\16点6分19本文档共84页；当前第19页；编辑于星期三\16点6分三、生命的起源与进化1、生命的起源生命的起源是通过化学的途径实现的。目前认为生命的化学演化过程大致经历了三个阶段：（1）、从无机分子到有机小分子地球的原始大气中含有氨(NH3)、甲烷(CH4)、氰化氢(HCN)、硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)、氢气(H2)、水(H2O)等成分，但没有游离的氧气。在宇宙射线、太阳紫外线、闪电、高温等的作用下而自然合成了一系列的小分子有机化合物，例如氨基酸、核苷酸、嘌呤、嘧啶、单糖、脂肪酸等。20本文档共84页；当前第20页；编辑于星期三\16点6分1953年，米勒用水（H2O）、甲烷（CH4）、氨气（NH3）和氢气（H2）但是不包括氧气（O2）共同混合，他假定该混合物的成分类似于原始大气，然后一起灌入到一个特殊的玻璃装置中，给瓶内混合物加热，使之不断沸腾，产生气体。气体经过一个装有两个电极的小室，室内连续产生火花，犹如大自然的闪电和火山爆发，然后经过冷却又变成液体回到原处。经过一个星期后，米勒使用纸套色版证明了瓶中现在含有几个氨基酸和一些其它有机物。21本文档共84页；当前第21页；编辑于星期三\16点6分（2）、从有机小分子到生物大分子当氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等有机小分子物质形成之后，在适当的条件下，它们可以进一步形成复杂的有机物质。例如蛋白质、核酸、多糖、类脂等大分子物质。其中蛋白质和核酸的形成对于生命现象具有非常重要的作用。对于它们的形成主要有两种观点。

①、陆相起源。他们认为聚合反应是发生在火山的局部高温地区，聚合生成的生物大分子经雨水冲刷汇集到海洋，并在一定的条件作用下，继续发展成为复杂的有机物质。（如福克斯）

②、海相起源。认为在原始的海洋中的氨基酸和核苷酸等小分子有机物可以被吸附于粘土一类的物质的活性表面，而在适当缩合剂（如羟胺类化合物）存在时，可以发生聚合反应。（如奥巴林）22本文档共84页；当前第22页；编辑于星期三\16点6分（3）、从生物大分子到原始生命体系的诞生生物大分子并不能独立表现生命现象，只有形成了众多的、乃至成百万的以蛋白质、核酸为基础的多分子体系时，才能表现生命萌芽。而生物大分子在溶液中自动聚集，从而形成各种独立的多分子体系，出现团聚体或微球体。由于多分子体系可以起到有机表面的催化作用，而反过来作用于各类单体的聚合，促使产生更高级的蛋白质和核酸，然后通过有序性逐渐提高的长期过程，其结构、机能便愈益复杂和完善，由此产生出原始生命。这种原始生命是如何形成的，大致有两种理论：一是奥巴林的团聚体假说；另一种是福克斯的微球体假说。23本文档共84页；当前第23页；编辑于星期三\16点6分2、生命的进化（1）、从非细胞形态到细胞形态的进化①、由原始生命到原始细胞②、由原始细胞到原核细胞③、由原核细胞到真核细胞24本文档共84页；当前第24页；编辑于星期三\16点6分（2）、从低等生物到高等生物的进化真核细胞产生后，生物界分化为两大支，出现了原始的单细胞植物和动物。①、植物界的进化菌藻植物苔藓植物和蕨类植物裸子植物被子植物(蓝藻是地球上最古老的绿色植物)25本文档共84页；当前第25页；编辑于星期三\16点6分②、动物界的进化1）、从单细胞到多细胞2）、从二胚层到三胚层3）、从无脊椎到有脊椎4）、从水生到陆生无脊椎动物脊椎动物哺乳动物灵长类动物猿猴类动物人类动物进化一览表鸟类起源于恐龙26本文档共84页；当前第26页；编辑于星期三\16点6分27本文档共84页；当前第27页；编辑于星期三\16点6分四、人类的产生与发展1、人类的起源人类起源于动物界。大约在2300万年至1800万年前。在热带雨林地区和广阔的草原上，有一种古代灵长类动物──森林古猿活跃在那里，它们是人类最早的祖先。而后来的腊玛古猿和南方古猿是演化到人类的过渡阶段。28本文档共84页；当前第28页；编辑于星期三\16点6分腊玛古猿：

腊玛古猿大约生活在1400万—800万年前，身高仅1米多一点，体重在15—20公斤左右。

腊玛古猿的地位：

现代人类

现代猿类

南方古猿

腊玛古猿

森林古猿

29本文档共84页；当前第29页；编辑于星期三\16点6分南方古猿：南方古猿大约生活在距今500万—100万年以前。我们人类就是由南方古猿的一支演化而来的。大约200万—300万年前，南方古猿的一支脱离了古猿类，朝着人类的方向演化。南方古猿的地位：关于南方古猿在人科进化中扮演的角色,有三种不同的观点，如下图所示：30本文档共84页；当前第30页；编辑于星期三\16点6分2、人类的发展可以把史前人类的发展粗略地分为四个阶段：（1）、能人阶段约在200万年前出现在非洲，身高大约150公分左右，以树上的浆果为食，也会找寻兽尸或捕猎一些小动物。（2）、直立人阶段约200万年（或150万年）开始到40万年期间，其身高、体型和现代人差不多。已经开始技术性狩猎，并已经知道用火。东非猿人31本文档共84页；当前第31页；编辑于星期三\16点6分北京人32本文档共84页；当前第32页；编辑于星期三\16点6分（3）、早期智人（古人）阶段大约20万一5万年前。特征是脑量进一步增大，已经达到现代人的水平，脑结构比猿人复杂得多，其打制的石器也比猿人规整，有石球和各种尖状的石器，能人工生火，开始有埋葬的习俗，已经开始穿所谓的衣服，不再是赤身裸体。尼人的葬礼尼安德特人33本文档共84页；当前第33页；编辑于星期三\16点6分大荔人（陕西）马坝人（广东）34本文档共84页；当前第34页；编辑于星期三\16点6分（4）、晚期智人（新人）阶段大约开始于5万年以前，新人在体态上与现代人几乎没有什么区别，其打制的石器相当精致，器形多样，各种石器在使用上已有分工，并且出现了骨器和角器。新人甚至已会制造装饰品，进行绘画、雕刻等艺术活动。此后，人类便进入了现代人的发展阶段。克罗马农人35本文档共84页；当前第35页；编辑于星期三\16点6分山顶洞人柳江人（广西）资阳人（四川）36本文档共84页；当前第36页；编辑于星期三\16点6分人种的差异:多数人类学家现在将全世界人类分作蒙古人种（黄色人种）、欧罗巴人种(白色人种)和尼格鲁人种(又称尼格罗-澳大利亚人种、赤道人种，即黑色人种）三大人种。也有人认为应当分为黄色人种、白色人种、黑色人种、棕色人种（从黑色人种中划分出来）四大人种。37本文档共84页；当前第37页；编辑于星期三\16点6分自然界演化的方向

自然界任何物质系统都要经历产生、发展、衰落、灭亡的历史过程。所有这些演化均可以归为两大类：进化与退化。一般认为：进化对物质世界更具有积极意义，而人类最早精确认识并深入研究的演化现象却是退化。38本文档共84页；当前第38页；编辑于星期三\16点6分进化与退化退化:是指物质系统由有序向无序、由高序向低序的演化过程和趋势。退化的理论根据就是热力学第二定律。这一定律指出，在一个孤立系统中，任何物理过程或化学过程总是导致熵的增加，系统最终达到一个具有极大熵值的平衡态，而且这种熵增过程是一个不可逆的自发过程。可见，退化过程就是熵增过程。克劳修斯的热寂说。39本文档共84页；当前第39页；编辑于星期三\16点6分进化与退化进化:进化是指物质系统由无序到有序、由低序到高序的演化过程和趋势。进化的根据则是生物进化论与自组织理论。根据自组织理论，一个系统具备以下条件就会进入有序状态。必须是一个开放系统；必须处于远离平衡的状态；各要素之间存在着非线性的相互作用；涨落和突变是产生有序状态的条件。40本文档共84页；当前第40页；编辑于星期三\16点6分进化与退化的关系进化和退化是自然界中广为存在的两种趋势和过程。当代科学研究表明，进化与退化是不可分割、辩证统一的。进化与退化相互包含；进化与退化互为条件；通过引进负熵和正反馈循环进化与退化依据一定条件以互相转化。41本文档共84页；当前第41页；编辑于星期三\16点6分有序与无序的熵增原理指出世界无序增加的一面；自组织理论指出，物质系统除了熵增的一面，同样也存在熵减的一面。既存在着无序增加的退化，同时也存在着有序增加的进化。地球作为一个开放系统，与外界不断进行物质和能量的交换，本身也有一定的自净能力。特别是地球是人类活动的场所，人类可以根据自己的生存需要有目的地利用和改造自然环境，实现自然、社会的可持续发展。因此，即使按照熵增原理，地球也不会越来越走向无序。42本文档共84页；当前第42页；编辑于星期三\16点6分自然界演化的规律性矛盾是自然界运动与演化的根本动力吸引和排斥的矛盾是非生命世界运动发展的动力；生物和环境的相互作用是生物进化的动力。渐变与突变是自然界演化发展的基本方式自然界运动转化的守恒性各种运动形式之间的转化；量上的守恒；质上的守恒。自然界演化的周期性43本文档共84页；当前第43页；编辑于星期三\16点6分结语有关研究终将揭示弥散的物质和能量重新聚集起来的途径，从而从根本上揭示自然界的演化不但存在周期性，而且存在无限循环的可能。如恩格斯指出，当自然科学的发展水平难以解决这个问题的时候，必须借助哲学思维的帮助才能使自己的自然观成为一个和谐的整体。如果我们从质的不灭性方面来理解物质不灭原理和运动不灭原理，自然界的演化图景就只能是周期性的无限循环发展。44本文档共84页；当前第44页；编辑于星期三\16点6分1028K10-35s1012K10-6s1011K10-2s1s108K3分钟以后3×103K100万年10亿年100亿年101亿年120亿年138亿年140亿年109K4s以后

爆涨

强子时代

轻子时代中子14％质子86％遗留大量的中子和质子核合成退耦代星系、恒星开始形成银河系、太阳系形成始生代原生代中生代智人基本粒子形成阶段核合成阶段

实物阶段温度∞时间01032K10-43s

奇点真空场●45本文档共84页；当前第45页；编辑于星期三\16点6分宇宙的未来：宇宙临界密度的估计值是：ρc

=4.7×10-27㎏/m3若ρ＞ρc；震荡式或脉动式宇宙。若ρ≤ρc；开放式宇宙…46本文档共84页；当前第46页；编辑于星期三\16点6分宇宙和天体的起源和演化多普勒效应：光源远离我们时，光谱线会红移（波长变长，频率变小，能量变小），反之紫移（波长变短，频率变大，能量变大）。这一效应在天文学上应用很广泛，是测量天体运动速度的手段。47本文档共84页；当前第47页；编辑于星期三\16点6分宇宙和天体的起源和演化宇宙膨胀1929年，美国天文学家，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。48本文档共84页；当前第48页；编辑于星期三\16点6分宇宙和天体的起源和演化哈勃常数哈勃通过测量星云的光谱红移计算它们的速率，并于２０年代末提出了著名的哈勃常数。哈勃常数的速率就是星系的速度同距离的比值；星云与地球的距离越远，其远离速度越高。随着对宇宙的探测范围越来越广，哈勃获得了一项更大的发现：所有的星系都在远离我们而去。宇宙在日益膨胀，似乎是在曾经是高度集中的基础上彼此分离而去（膨胀理论）。49本文档共84页；当前第49页；编辑于星期三\16点6分宇宙和天体的起源和演化爱因斯坦的遗憾当时天文学家普遍认为宇宙是静止的。因此，当爱因斯坦提出广义相对论假设的时候，为了回避争论，他在自己的理论中加进了宇宙静止论，尽管其理论本身也表明宇宙必须是日益膨胀或收缩的。1931年，爱因斯坦在威尔逊山天文台参观的时候紧紧握住哈勃的手，承认他犯了一生中最大的错误。50本文档共84页；当前第50页；编辑于星期三\16点6分宇宙和天体的起源和演化哈勃的遗憾哈勃在天文学研究方面取得的巨大成就，使他获许多荣誉，甚至连罗马教皇庇护12世也对他的成就给予高度评价。哈勃渴望能获得诺贝尔奖，终因该奖未设天文学奖项而未能如愿。在他1953年逝世的时候，诺贝尔评奖委员会正考虑授予他诺贝尔物理学奖。人们在他逝世以后授予他多种荣誉，其中包括1990年发射的以他的名字命名的哈勃大空天文望远镜。51本文档共84页；当前第51页；编辑于星期三\16点6分“哈勃”

太空望远镜

哈勃望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜。它上面的广角行星相机可拍摄到几十到上百个恒星照片，其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，其观测能力等于从华盛顿看到1.6万千米外悉尼的一只萤火虫。哈勃望远镜长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，造价近30亿美元，于1990年4月25日由美国航天飞机送上高590千米的太空轨道。

52本文档共84页；当前第52页；编辑于星期三\16点6分伽莫夫的大爆炸假说宇宙微波背景辐射预言

1948年科学家伽莫夫在一篇和拉夫·阿尔法合作的论文中作出惊人的预言，宇宙形成早期阶段的辐射迄今还应该留在周围。就是说，我们的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，其温度约为6K。正如一个火炉虽然不再有火了，还可以冒一点热气。53本文档共84页；当前第53页；编辑于星期三\16点6分伽莫夫的大爆炸假说宇宙微波背景辐射证实1964年，美国贝尔电话公司的工程师彭齐亚斯和威尔逊，在调试他们那巨大的喇叭形天线时，出乎意料地接收到一种无线电干扰噪声，各个方向上信号的强度都一样，而且历时数月而无边化。难道是仪器本生有毛病吗？或者是栖息在天线上的鸽子引起的？他们把天线拆开重新组装，依然接收到那种无法解释的噪声。这种噪声不是来自人造卫星，也不可能来自太阳、银河系或某个河外星系射电源，因为在转动天线时，噪声强度始终不变。后来，经过进一步测量和计算。得出辐射温度是2.7K，一般称之为3K宇宙微波背景辐射。54本文档共84页；当前第54页；编辑于星期三\16点6分伽莫夫的大爆炸假说3K宇宙微波背景辐射发现的意义因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与理论预言的温度如此接近，正是对宇宙大爆炸论的一个非常有力的支持！这是继1929年哈勃发现星系谱线红移后的又一个重大的天文发现。宇宙微波背景辐射的发现，为观测宇宙开辟了一个新领域，也为各种宇宙模型提供了一个新的观测约束，它因此被列为20世纪60年代天文学四大发现之一。彭齐亚斯和威尔逊于1978年获得了诺贝尔物理学奖。瑞典科学院在颁奖决定中指出：这一发现，使我们能够获得很久以前宇宙创生时期所发生的宇宙过程的信息。55本文档共84页；当前第55页；编辑于星期三\16点6分恒星的起源与演化：原始星云→原恒星→恒星引力收缩约1万度，开始发光。8×105K，氢燃烧生成氦。8×106K，稳定。主序星稳定阶段，氢燃烧生成氦。红巨星较重的元素形成。高密恒星白矮星（M＜1.44M⊙）

弥漫状星云超新星爆炸中子星（1.44M⊙＜M＜3.2M⊙）

黑洞（M＞3.2M⊙）

中子星和白矮星→红矮星→黑矮星…56本文档共84页；当前第56页；编辑于星期三\16点6分

肽键氨基酸蛋白质的形成：57本文档共84页；当前第57页；编辑于星期三\16点6分…DNA的结构：A：腺嘌呤；G：鸟嘌呤；C：胞嘧啶；T：胸腺嘧啶58本文档共84页；当前第58页；编辑于星期三\16点6分热力学第一定律热力学第一定律即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能无形消失，自然界中能量可以从一种形式转化为另一种形式，总能量不变。违背热力学第一定律的过程都不可能发生，第一类永动机是不能造成的。高温物体低温物体Q不会自动发生高温物体低温物体Q会自动发生59本文档共84页；当前第59页；编辑于星期三\16点6分热力学第一定律热力学第一定律即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能无形消失，自然界中能量可以从一种形式转化为另一种形式，总能量不变。违背热力学第一定律的过程都不可能发生，第一类永动机是不能造成的。气体自由膨胀会自动发生气体自动收缩不会自动发生60本文档共84页；当前第60页；编辑于星期三\16点6分热力学第一定律热力学第一定律即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能无形消失，自然界中能量可以从一种形式转化为另一种形式，总能量不变。违背热力学第一定律的过程都不可能发生，第一类永动机是不能造成的。功转变成热量会自动发生热量自行转变成功不会自动发生61本文档共84页；当前第61页；编辑于星期三\16点6分第一类永动机魔轮:右侧重垂在重力作用下远离转动轴，力矩随之增大，驱动魔轮转动，但由于左侧重垂数量更多，平衡了系统力矩，永动无法实现。上世纪20年代德国的一张明信片，拿爱因斯坦开玩笑。62本文档共84页；当前第62页；编辑于星期三\16点6分可逆与不可逆过程可逆过程

一个热力学系统由某一初态出发，经过某一过程到达末态后，如果还存在另一过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回到初态，又同时消除了原过程对外界引起的一切影响），则原过程称为可逆过程。可逆过程是一种理想过程。不可逆过程一个热力学系统由某一初态出发，经过某一过程到达末态后，如果不存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，则原过程称为不可逆过程。自然界的一切过程都是不可逆的。63本文档共84页；当前第63页；编辑于星期三\16点6分热力学第二定律热力学第二定律不可能将热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化，即热量不会自动地从低温物体传到高温物体。第二类永动机也是不可造成的。64本文档共84页；当前第64页；编辑于星期三\16点6分第二类永动机高温热源低温热源假想的自动传热装置卡诺热机等价于高温热源低温热源65本文档共84页；当前第65页；编辑于星期三\16点6分热力学第二定律的统计意义以气体的自由膨胀为例孤立容器用隔板分成AB两格，A中四个理想气体分子，即N=4，微观上可分，宏观上不可分。B中真空。取消隔板，气体自由膨胀，每一个分子有两种可能的等概率微观分布状态（在A或B），即：n=2四个可区分的分子出现在A、B两半的可能分布方式，即系统的微观分布状态总数目是各分子微观态数目的乘积：即：nN=16具体分析如下表：隔板66本文档共84页；当前第66页；编辑于星期三\16点6分分子位置的分布分子数的分布（微观态）（宏观态）微观态数目一个宏观态对应的宏观态出现概率ABAB614411/164/164/161/166/16共16

种微观态5种宏观态67本文档共84页；当前第67页；编辑于星期三\16点6分热力学第二定律的统计意义由上分析可知，四个分子全部集中到A或B的概率最小。那么我们可以分如果有1mol分子，那么全部集中于A或B的概率是多少。概率这样小的事件在宇宙中是事会出现。68本文档共84页；当前第68页；编辑于星期三\16点6分热力学第二定律的统计意义热力学概率一个宏观态对应的微观态数目称为该宏观态的热力学概率Ω。某宏观态出现的概率为：

P=Ω/nN气体自由膨胀的不可逆性，从统计观点解释就是一个不受外界影响的理想气体系统，其内部所发生的过程总是向着P大或是Ω大的方向进行69本文档共84页；当前第69页；编辑于星期三\16点6分热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的统计意义一切孤立系统内部所发生的过程，总是由概率小（包含微观态数目少）的宏观态向概率大（包含微观态数目多）的宏观态方向进行的。70本文档共84页；当前第70页；编辑于星期三\16点6分熵熵的微观表达式玻耳兹曼公式S=kln

表示系统处于某一宏观态的热力学概率

S是系统处于该宏观态时的熵

k玻耳兹曼常量玻耳兹曼熵公式可以求出系统任一宏观态（不管是否是平衡态）的熵；71本文档共84页；当前第71页；编辑于星期三\16点6分熵熵的宏观表达式克劳修斯熵公式熵变计算：关于熵值ds≥0不可逆过程取“>”可逆过程取“=”克劳修斯熵公式只对系统的平衡态才有意义；克劳修斯熵是玻耳兹曼熵的最大值。72本文档共84页；当前第72页；编辑于星期三\16点6分墒增原理熵是反映一个系统宏观态所具有的微观态数目，它与热力学几率的对数成正比，由于热力学几率愈大表示系统处于愈混乱的状态，所以熵是系统无序的量度。孤立系统与外界无物质和能量交换，因而，系统从一个平衡态经一绝热过程到达另一平衡态，它的熵永不减少。如果过程是可逆的，则熵的数值不变；如果过程是不可逆的，则熵的数值增加。73本文档共84页；当前第73页；编辑于星期三\16点6分宇宙热寂说1867年，克劳修斯《关于热力学第二定律》一文把熵增原理推广到整个宇宙，指出整个宇宙中的热运动，必然遵循熵增原理，宇宙中的熵总是只增不减，随着时间的推移，总有一天会达到最大值，到那时，宇宙中的一切变化都不会发生，就会进入一个死寂的永恒状态。此即所谓的宇宙热寂说。74本文档共84页；当前第74页；编辑于星期三\16点6分熵的哲学理解熵的增加是能量退化的量度退化的能量是与熵成正比的；热源温度愈高它所输出的热能转变为功的潜力就愈大，即较高温度的热能有较高的品质。当热量从高温热源不可逆的传到低温热源时，尽管能量在数量上守恒，但能量品质降低。一切不可逆过程实际上都是能量品质降低的过程，热力学第二定律提供了估计能量品质的方法。自然界的实际过程都是不可逆过程，即熵增加的过程，大量能源的使用加速了这一过程。而熵的增加导致了世界混乱度的增加。每利用一份能量，就会得到一定的惩罚——把一部分本来可以利用的能量变为退化的能量；可以证明：退化的能量实际上就是环境污染的代名词。节约能源就是保护环境。而保护环境就是保护人类的生存条件，非同小可。75本文档共84页；当前第75页；编辑于星期三\16点6分熵的哲学理解熵是事物无序度的量度熵与微观状态的对数成正比的，微观状态数越大，混乱度就越大。相反熵减小则有序度增加。以一个N个分子的物质系统为例：让其冷却，放出热量，先是碰撞次数减少，引起混乱的平均速率减小。继而变为液体时这时分子以振动为主，平动为辅，位置相对固定，有序度增加，温度再降低时，分子在平衡位置附近振动更加序。事实上平衡态是最无序。76本文档共84页；当前第76页；编辑于星期三\16点6分熵与耗散结构无机界、无生命的世界总是从有序向无序变化，但生命现象却越来越有序，生物由低级向高级发展、进化。以致出现人类这样高度有序的生物。意大利科学家普里高津提出了耗散结构理论，解释了这个问题。原来生命是一开放系统。其熵变由两部分组成，开放系统---与外界有物质和能量的交换的系统系统自身产生的熵，总为正值。与外界交换的熵流，其值可正可负。当系统远离平衡态时系统不断消耗能源与物质，从熵流中获取负熵，从而使系统在较高层次保持有序。薛定谔指出来的：“生命之所以免于死亡，其主要原因就在于他能不断地获得负熵”。77本文档共84页；当前第77页；编辑于星期三\16点6分自组织理论统科学理论包括“老三论”：信息论、系统论、控制论；“新三论”：耗散结构论、协同论、突变论；自组织理论：20世纪70年代以后兴起，研究自然物质系统演化过程中普遍存在的无序状态和有序状态相互转化的机制和条件问题。研究一个混乱无序的系统，在什