热力学第二定律-耗散结构-图文

热力学第二定律-耗散结构_图文.ppt第四章

热力学第二定律2*耗散结构介绍耗散结构理论：普利高津（I.Prigoging,比利时)1967年创立,1977年获诺贝尔化学奖。自组织现象开放系统的熵变远离平衡态的分叉现象通过涨落达到有序3有序与无序热力学第二定律说明了孤立系统中的自然过程有方向性：但是，自然界实际上也存在许多过程:（退化；克劳修斯）有序无序无序有序（进化；达尔文）生命过程无序到有序孤立系统有序到无序4自组织现象（1）无生命开放系统的自组织现象自组织现象：开放系统内部由无序变为有序，使其中大量分子或单元按一定规律运动的现象

如六角形的雪花；

鱼鳞状的云;

激光5无生命自组织现象贝纳尔德（Benard，法兰西，1900）发现“水平容器中放一薄层液体，底部均匀缓慢地加热突然出现规则的多边形图案”>2TT1热传导hT12T

当T=T1-T2=0

平衡态当T>0,不太大时,稳定的非平衡态当T增大到T出现有序的宏观对流6贝纳尔德对流7有序对流效率更高2T

1T

2>T

T

1有序对流h千千万万的分子被组织起来，参加一定方式的宏观定向运动，能量得到更有效的传递。水管中的沙团8激光－时间自组织能量<某一阈值时原子发出光子的频率和位相无序能量>某一阈值时原子“集体一致行动”，发出频率和位相都相同的光子－产生激光。体系有序。9食物中混乱无序的原子DNA（RNA）分子－高度有序的结构

DNA—脱氧核糖核酸RNA—核糖核酸DNA具有双螺旋结构（2）生命过程的自组织现象10DNA的双螺旋结构11

蛋白质大分子链由几十种类型的成千上万个氨基酸分子按一定的规律排列起来组成。假定蛋白质是随机形成的,而且每一种排列有相等的概率,那么即使每秒进行100次排列,也要经过亿年才能出现一次特殊的排列，这种有组织的排列决不是随机形成的。生命组织不是随机过程的产物12

树叶有规则的形状;动物毛皮有花纹;蜜蜂窝;龟背------(空间有序)(时间有序）

候鸟的迁移;中华鲟的徊游------13（3）社会现象的自组织现象城市的形成和发展14其中

di

S>0：熵产生，由系统内部的不可逆过程引起。

de

S

：熵流，可正可负。由系统与外部的能量和物质交换引起。dS=di

S+de

S开放系统的熵变开放系统：与外界有能量和物质交换的系统15开放系统从外界接收负熵流de

S<0

且

|de

S|>diS系统的熵dS=diS+de

S<0使系统由无序变到有序自组织现象的解释16负熵流贝纳特实验中，流体系统是一个开放系统，随着热量的流进流出，系统的熵在变化。若流进流出的热量相等,为dQ。流进的熵流出的熵因为所以即流出的熵大于流进的熵。若净流出的熵超过了系统内部的“熵产生”，系统的熵就减少，系统就从无序有序。17远离平衡态的分叉现象主要研究平衡态的性质.例如,贝纳特实验中

T=0的情形。1.平衡态热力学(经典热力学)例如,贝纳特实验中，

T0（但较小）的情形。还不可能发生自组织的现象。外界的影响较小,外界的作用与系统状态的变化可以看成简单的线性关系.2.线性非平衡态热力学(近平衡态热力学）3.非线性非平衡态热力学(远离平衡态热力学)外界的影响强烈,它引起系统状态的变化已不能看成简单的线性关系，有它自己特有的规律.例如,贝纳特实验中时的情形.这时,就有可能出现自组织现象。18X（状态参量）l（外界影响）l0lc平衡态远离平衡（l>lc）

耗散结构非平衡定态（l<lc）

混沌态(chaoticstate)耗散结构和混沌态19耗散结构：远离平衡态出现较为稳定的有序态的结构耗散结构与自组织现象混沌态:当进一步远离平衡态，出现二级和高级分叉的现象。可能出现各种有序结构，但很难预测。形成一个耗散结构必须有以下五个条件:1.开放系统2.远离平衡态3.涨落突变4.正反馈5.非线性抑制因素20

激光器出激光，要输入足够的功率（开放系统）才能造成粒子数反转的状态（远离平衡态）。当有能量

的一个光子入射时（涨落）可以引起受激辐射光放大出来两个全同光子。激光21但激光的强度不会无限增大下去,在光强增大,粒子数反转的程度会减弱--它相应地使受激辐射的光强减小(非线性抑制因素).但不是所有的涨落都能得到足够的放大,只有沿轴线方向的光子才行：1248

(正反馈),激励能源全反射镜部分反射镜激光输出激光22关于热寂说“宇宙不是孤立系统，不能用热力学第二定律”“宇宙是无限的，热力学第二定律是在有限范围得出的规律”

天体物理学：宇宙在膨胀，自引力系统由于涨落会从密度均匀状态变成团块结构的星体。可以证明，在这过程中（自发地由均匀到不均匀）热力学概率是增加的，熵没有极大值，宇宙不会热寂。热寂说不适用于引力占主导作用的膨胀的宇宙23生物生命生物是远离平衡态的开放系统生命过程是一种耗散结构物种的产生偶然性物种的保护24T2系统T1

系统（T1）直接与热源（T2