高等工程热力学-第六讲-耗散结构理论课件

高等工程热力学第六讲耗散结构理论高等工程热力学第六讲1第一节

耗散结构理论一、问题的提出

无论是经典力学、量子力学，还是相对论，时间只是外部的一个参量，没有任何东西能够区别过去和将来，时间概念与我们所处的三维空间一样，仅被看做描述物理过程的时空行为的第四个坐标。

在经典力学，量子力学和相对论力学中，它们的基本方程都是时间反演对称的。

第一节

耗散结构理论一、问题的提出

无论是经典21.传统力学给出了一个可逆的、对称的物理图像。然而，热力学则提供了一个与之不同的物理图像。热力学第二定律表明：一切与热现象有关的实际宏观过程都不是可逆的。于是，时间的不可逆性和不对称性就进入了物理学研究范围。其实，热力学给我们提供了一幅带有“时间箭头”的物理图像。

第一节

耗散结构理论1.传统力学给出了一个可逆的、对称的物理图像。然32.由克劳修斯从热力学第二定律引出的结论与达尔文创立的生物进化论存在着尖锐的矛盾。热力学第二定律告诉人们：物质的演化总是朝熵增加、向混乱的方向进行。可是，进化论则告诉我们：生物的进化总是由低级到高级，朝熵减少、向有序的方向进行。前者给出了“宇宙热寂说”的结论，即退化的时间箭头，而后者则与之相反，给出了进化的时间箭头。

第一节

耗散结构理论2.由克劳修斯从热力学第二定律引出的结4

3.自然界到底是往无序还是向有序的方向发展变化呢？要把热力学和动力学，热力学与生物学统一起来，就必须研究自然界中存在的远离平衡态的有序结构、生物和生命现象，必须朝着更为普遍的热力学理论方向发展。他坚信，在一定条件下，不可逆过程会产生令人讨厌的消极作用，但在另一类条件下，对不可逆过程的研究可能会带来理论和实践上具有重大意义的结果。第一节

耗散结构理论3.自然界到底是往无序还是向有序的方向发展变化呢5二、自组织的有序现象自组织现象是指自然界中自发形成的宏观有序现象。在自然界中这种现象是大量存在的。第一节

耗散结构理论贝纳尔对流图1900年法国学者贝纳尔观察到，如果在水平容器内放一薄层液体，从底部均匀加热，当上下温差达到一定时，液体中突现规则的六边形图案。二、自组织的有序现象第一节

耗散结构理论贝纳尔对流图19006化学振荡溴酸钾、丙二酸、硫酸铈的混合物溶解于硫酸中，加以搅拌，颜色会在红蓝两色之间振荡第一节

耗散结构理论化学振荡溴酸钾、丙二酸、硫酸铈的混合物溶解于7在未搅拌前，可以看到环绕一个个起搏中心的波状靶图化学靶图

第一节

耗散结构理论在未搅拌前，可以看到环绕一个个起搏中心的波状靶图化学靶图8

化学螺旋波1971发现了化学螺旋波第一节

耗散结构理论化学螺旋波1971发现了化学螺旋波第一节

耗散结构理论9三、普利高津耗散结构理论

一个远离平衡的开放系统，无论是力学的、物理的、化学的、生物学的，还是社会的、经济的系统，如果系统不断地与外界交换物质和能量，在外界条件变化过渡到一定程度，系统内部某个参量变化过渡到一个临界值时，经过涨落，系统可能发生突变。该系统将会由原来的混乱无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。

普利高津于1997年荣获了诺贝尔化学奖。

第一节

耗散结构理论三、普利高津耗散结构理论第一节

耗散结构理论10这种在远离平衡的非线性区形成的新的、稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”。要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。第一节

耗散结构理论这种在远离平衡的非线性区形成的新的、稳定的宏观有序结构，由于11（1）远离平衡态

远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区它遵守昂萨格(Onsager)倒易关系和最小熵产生原理。当给定的边界条件阻止系统达到热力学平衡态时，系统就落入最小耗散(最小熵产生)的状态。第一节

耗散结构理论（1）远离平衡态第一节

耗散结构理论12

远离平衡态是指系统内的物理性质极不均匀的状态，这时其热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比，可能颇为不同，甚至实际上完全相反，正如耗散结构理论所指出的，系统走向一个高熵产生的、宏观上有序的状态。第一节

耗散结构理论远离平衡态是指系统内的物理性质极不13

(2)非线性

系统产生耗散结构的内部动力学机制，正是子系统间的非线性相互作用，在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落。在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。第一节

耗散结构理论(2)非线性第一节

耗散结构理论14第一节

耗散结构理论

(3)开放系统

热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统绝不会出现耗散结构。那么开放系统为什么会出现本质上不同于孤立系统的行为呢？其实，在开放的条件下，系统的熵增量dS是由系统与外界的熵交换和系统内的熵产生两部分组成的，即：第一节

耗散结构理论(3)开放系统15

热力学第二定律只要求系统内的熵产非负，然而外界给系统注入的熵流可为正、零或负，这根据系统与外界的相互作用而定，在熵流小于零的情况下，只要这个负熵流足够强，它就除了抵消掉系统内部的熵产外，还能使系统的总熵增量dS为负，总熵S减小，从而使系统进入相对有序的状态。所以对于开放系统来说，系统可以从无序进入有序的耗散结构状态。第一节

耗散结构理论热力学第二定律只要求系统内的熵产非负，然而外界给16

(4)涨落

一个由大量子系统组成的系统，其可测的宏观量是众多子系统的统计平均效应的反映。但系统在每一时刻的实际测度并不都精确地处于这些平均值上，而是或多或少有些偏差，这些偏差就叫涨落，涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。第一节

耗散结构理论(4)涨落第一节

耗散结构理论17

在正常情况下，由于热力学系统相对于其子系统来说非常大，这时涨落相对于平均值是很小的，即使偶尔有大的涨落也会立即耗散掉，系统总要回到平均值附近，这些涨落不会对宏观的实际测量产生影响，因而可以被忽略掉。然而，在临界点(即所谓阈值)附近，情况就大不相同了，这时涨落可能不自生自灭，而是被不稳定的系统放大，最后促使系统达到新的宏观态。第一节

耗散结构理论在正常情况下，由于热力学18

当在临界点处系统内部的长程关联作用产生相干运动时，反映系统动力学机制的非线性方程具有多重解的可能性，自然地提出了在不同结果之间进行选择的问题，在这里瞬间的涨落和扰动造成的偶然性将支配这种选择方式，所以普里高津提出涨落导致有序的论断，它明确地说明了在非平衡系统具有了形成有序结构的宏观条件后，涨落对实现某种序所起的决定作用。第一节

耗散结构理论

当在临界点处系统内部的长程关联作用产生相干运动19

(5)突变

阈值即临界值对系统性质的变化有着根本的意义。在控制参数越过临界值时，原来的热力学分支失去了稳定性，同时产生了新的稳定的耗散结构分支，在这一过程中系统从热力学混沌状态转变为有序的耗散结构状态，其间微小的涨落起到了关键的作用。这种在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫做突变。耗散结构的出现都是以这种临界点附近的突变方式实现的。

第一节

耗散结构理论(5)突变第一节

耗散结构理论20四形成耗散结构的必要条件

耗散结构需要系统不断的与外界交换物质和能量才能得以维持并保持一定的稳定性，且不会因外界的微小扰动而消失。

耗散结构有四个条件：

（1）系统必须是开放的，（2）系统必须处于远离平衡态，（3）系统内部存在非线性的相互作用，（4）涨落导致有序。第一节

耗散结构理论四形成耗散结构的必要条件

第一21第二节

生命与生态环境一生命系统是耗散结构系统

人和动物在出生、成长、衰老、死亡；植物在出苗、开花、结果、枯萎……随着时间的流逝，自然界在发生着丰富多彩却一去不复返的变化。长期以来，人类搞清了许多复杂的自然现象，但对人体本身的变化却一直迷惑不解；人体从细胞到胚胎，通过不断提取营养（大都是无序的小分子）变成了大分子有序的蛋白质，这是一个从无序到有序的过程。食物中杂乱无序的小分子物质是怎样构成了耳朵、鼻子、眼睛、四肢等高度对称的、结构上有序、思维有序、功能有序的人体呢？第二节

生命与生态环境一生命系统是耗散结构系统22

长期以来，宏观时－空水平上的自发有序化现象（也称为自组织现象）曾被认为是生物体所特有的，是不能用物理－化学原理（特别是热力学第二定律）解释的。生物进化论认为，生物界的序是不断增进的，从简单到复杂，由低级到高级,是朝着高度有序的方向进化的。生物系统显然不是孤立系统，生物体一时一刻离不开环境。生物体和环境之间一刻不停地发生着能量和物质的交换，生物系统显然属于典型的开放系统。第二节

生命与生态环境长期以来，宏观时－空水平上的自发有序化23

对于开放系统，伴随着能量和物质的交换，系统和环境间同时必定有熵的交换。一个系统总熵的变化取决于系统内部的不可逆过程引起的熵产生和系统与环境间的交换过程引起的熵流这两者贡献之和，对于开放系统,维持一个足够强的负熵流，系统就可以维持在一个低熵的、比较有序的状态。事实上，有机体要维持高度有序的生活状态，需要不断排出熵，正如E.薛定谔所论，它是“以负熵流为生”的。

第二节

生命与生态环境对于开放系统，伴随着能量和物质的交换，系统和24生命物质（碳水化合物、净水）能量（化学能）负熵物质（排泄物）能量（热和功）正熵对于动物，生命攸关的物质是（1）低熵高能的食物－－典型代表是葡萄糖（2）低熵低能的净液态水第二节

生命与生态环境二维持生命活动负熵流生命物质（碳水化合物、净水）能量（化学能）负熵物质（排泄物）25光合作用产生葡萄糖的化学反应为反应焓反应熵第二节

生命与生态环境光合作用产生葡萄糖的化学反应为反应焓反应熵第二节

生命与生态26液态水的作用，因有很高的汽化潜热和溶解能力，蒸发和溶解废物后变成高熵物质排出体外，带走大量的熵。第二节

生命与生态环境液态水的作用，因有很高的汽化潜热和溶解能力，蒸发和溶解废物后27太阳辐射给地球的能量的34％被大气层反射，只有66％被地球吸收地球也在对太空辐射能量，其值与接收的太阳能相等第二节

生命与生态环境太阳辐射给地球的能量的34％被大气层反射，只有66％被地球吸28太阳的温度为6000K，可以推算出地球高层大气的温度为253K（－20摄氏度）左右，与实际情况极为接近。

随太阳能单位时间带给地球的熵随地球辐射能单位时间带离地球的熵第二节

生命与生态环境太阳的温度为6000K，可以推算出地球高层大气的温度为25329地球收入的总熵为：这就是地球收到的负熵第二节

生命与生态环境地球收入的总熵为：这就是地球收到的负熵第二节

生命与生态环境30

由于地球收到的太阳能中，绝大部分被大气和海水吸收，真正被绿色植物用来进行光合作用的仅为0.02％，光合作用提供的负熵流仅为：第二节

生命与生态环境由于地球收到的太阳能中，绝大部分被大气和海水吸31地球人口50亿，每个成人每天食物需求量可折合成1kg葡萄糖。据此可推算出：全人类需求的负熵流第二节

生命与生态环境地球人口50亿，每个成人每天食物需求量可折合成1kg葡萄糖。32

在有50亿人口的今天，这一791倍率，不但不能令人乐观，反而让人类忧心重重。为什么？第二节

生命与生态环境在有50亿人口的今天，这一791倍率，不但不能33（1）产生食物的光合作用仅仅只有很小的一部分；（2）地球食物链中，有四个营养级，每级的生态效率平均约为（10～15）％；（3）净水资源问题。地球村实在太小承受不了日益激增的人口重负第二节

生命与生态环境（1）产生食物的光合作用仅仅只有很小的一部分；第二节

生命与34麦克斯韦妖诘难麦克斯韦曾经给热力学出了一道难题：绝热的刚性容器内充满了气体，一小妖把守小门。她看到左边有高速的分子过来就打开小门，让其跑到右边，看到右边有低速的分子过来就打开小门，让其跑到左边。结果右边温度升高，左边温度降低，孤立系的熵减小。麦克斯韦妖诘难麦克斯韦曾经给热力学出了一道难题：绝热的刚性容35麦克斯韦妖诘难

麦克斯韦妖必须有获得和储存分子运动信息的能力，否则，她不可能胜任该项工作。

比喻说，要判断分子的运动速度和方向，按照信息论，对于一个分子，要作出是否开门的决定需要2bit的信息，因此在给系统输入负熵。麦克斯韦妖诘难麦克斯韦妖必须有获得和储存分子运36热寂论的终结

克劳修斯1850年创立了热力学，1854年他用熵的概念表述热力学的第一和第二定律：（1）宇宙的能量是常数；（2）宇宙的熵不断变大，最终将达到最大值。

热寂论提出后，由于在感情上和理智上给人极大的冲击，克劳溴斯被群起而攻，但都被克劳修斯驳倒。热寂论的终结克劳修斯1850年创立了热力学，137热寂论的终结早期对热寂论的批判：（1）1872年玻尔兹曼提出涨落理论，热平衡态总是伴随着涨落现象，后者是不服从第二定律的，宇宙在某个局部可以偶然出现巨大的涨落，在那里没有熵增加，甚至在减少。（2）1875年恩格斯在《自然辩证法》中写道：放射到太空中的热一定有可能通过某种途径变为另一种运动形式能够重新集结和活动起来。（3）宇宙是无限的，不是孤立系统。热寂论的终结早期对热寂论的批判：38热寂论的终结现代批判：要点（1）宇宙在膨胀；（2）引力系统是具有负热容的不稳定系统。热寂论的终结现代批判：39

宇宙在膨胀

宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。宇宙是物质的世界。它处于不断的运动和发展中，在空间上无边无界，在时间上无始无终。热寂论的终结宇宙在膨胀热寂论的终结40观测到一些云雾状的天体，称之为星云

热寂论的终结观测到一些云雾状的天体，称之为星云热寂论的终结41热寂论的终结

大爆炸宇宙学模型

20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了旋涡星云正快速远离人们而去．1929年哈勃把这种退行红移的测量与星系的距离的测量结合起来，总结出了著名的哈勃定律：星系的退行速度v与它的距离r成正比：

v＝Hr．

根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定，人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀，物质密度一直在变稀。

热寂论的终结大爆炸宇宙学模型

20世纪20年代，美国42一个天体的光谱向长波（红）端的位移叫做红移。通常认为它是多普勒效应所致，即当一个波源（光波或射电波）和一个观测者互相快速运动时所造成的波长变化

热寂论的终结一个天体的光谱向长波（红）端的位移叫做红移。通常认为它是多普43热寂论的终结

由此反推，宇宙的结构在某一时刻前是不存在的，它只能是演化的产物．因而1948年伽莫夫等人首先提出了大爆炸宇宙学模型：

宇宙是由甚早期温度极高且密度极大，体积极小的物质迅速膨胀形成的，这是一个由热到冷、由密到稀，不断膨胀的过程，尤如一次规模极其巨大的超级大爆炸．

热寂论的终结由此反推，宇宙的结构在某一时刻前是不44

距今大约150亿年前，今天所观测到的全部物质世界统统都集中在一个很小的范围内，温度极高，密度极大。

（1）大爆炸后0.01秒，宇宙的温度约为1000亿摄氏度，其物质的主要成分为轻粒子(如光子、电子或中微子)，而质子和中子只占十亿分之一．所有这些粒子都处于热平衡状态．由于整个体系在快速膨胀，因此温度很快下降．热寂论的终结距今大约150亿年前，今天所观测到的全部物质世45（2）大爆炸后13.8秒，宇宙温度下降到30亿摄氏度．这时质子和中子已可形成像氘、氦那样稳定的原子核．化学元素从这时候开始形成．（3）35分钟后，宇宙温度进一步下降到3亿摄氏度，核形成停止了．氦和自由质子的质量之比大致保持在0.22～0.28这一范围内．由于温度还很高，质子仍不能和电子结合起来形成中性原子．热寂论的终结（2）大爆炸后13.8秒，宇宙温度下降到30亿摄氏度．这时质46（4）中性原子大约是在大爆炸发生后30万年才开始形成的，这时的温度已降到3000摄氏度，化学结合作用已足以将绝大部分自由电子束缚在中性原子中．到这一阶段，宇宙的主要成份是气态物质，随着温度的进一步降低，它们慢慢地凝聚成密度较高的气体云，然后进一步形成各种星系，形成恒星系统．这些恒星系统又经历了漫长的演化，才形成了我们今天所看到的宇宙．热寂论的终结（4）中性原子大约是在大爆炸发生后30万年才开始形成的，这时47

宇宙早期的温度极高，今天的温度已降到极低(绝对温度３Ｋ)．如此巨大的温度跨度是任何实验室条件都无法办到的．但是人们可以把已有的关于粒子物理、核物理、等离子体物理以及其他的物理知识应用于不同的宇宙演化阶段来预言各种宇宙学效应．例如，大爆炸核合成及微波背景辐射等．通过多年的天文观测，这些预言已逐渐被证实，从而成为大爆炸宇宙模型的有力证据．

热寂论的终结宇宙早期的温度极高，今天的温度已降到极低(绝对48哈勃定律

从哈勃定律得到启示建立的大爆炸宇宙模型反过来可以预言这种定律．它已被28000个星系的红移(或退行速度)与距离的关系的观测数据所证实．

热寂论的终结哈勃定律

从哈勃定律得到启示建立的大爆炸宇宙模型反49宇宙的年龄

大爆炸宇宙学预言宇宙今天的年龄约为150亿年，宇宙中的结构，例如恒星、星系等，都是在宇宙形成以后逐渐形成的，所以它们的年龄必须小于宇宙年龄．人们通过采用多种不同的方式来测定星系和恒星的年龄，例如测量放射性元素及其衰变产物在星体中的丰度等，最后得到的结果是完全一致的．即星系和恒星的年龄，都在几十亿年的数量级，这与宇宙的年龄是相容的．热寂论的终结宇宙的年龄

大爆炸宇宙学预言宇宙今天的年龄约为1550大爆炸的核合成

大爆炸宇宙学认为最初的宇宙中，既没有分子，也没有原子．第一批原子核是在大爆炸后１０－２秒到３分钟这一时间内，由质子和中子组合而成并遗留至今的．因而预言了宇宙中轻元素的丰度(如氦的丰度约为２５％，氢的丰度约为７５％）．多年来人们对天体范围内的轻元素丰度的观测结果，正好与大爆炸的预言相一致．从而成为大爆炸宇宙学的最早证据．热寂论的终结大爆炸的核合成

大爆炸宇宙学认为最初的宇宙中，既没51微波背景辐射

大爆炸宇宙学模型认为温度降低到3