热力学第二定律熵概念推广耗散结构-共40页

1§4熵概念的推广一、熵与能量二、熵与时间三、熵与生命四、熵与信息五、熵与社会2一、熵与能量热律：能量守恒热律：能量转化能力•有序无序能力强能力弱•有序到无序能量转化过程不可逆一部分能量不能再作功--能量退化3对热律深入认识A)能量退化角度认识孤立系统内发生的自发过程必然导致能量的退化B)熵的角度认识孤立系统…导致熵的增加熵是能量不可用程度的量度能量危机就是熵的危机4二、熵与时间1.时间反演的对称性物理学中很多领域时间本质上都在描述可逆过程从现在可知过去也可知道未来2.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5数学家史蒂芬指出：至少存在三个时间箭头将过去和将来分开三个箭头所指方向一致热力学箭头无序度增加的时间方向只能记住过去心理学箭头宇宙膨胀宇宙学箭头6三、熵与生命热律：孤立系统无序度增加熵增加但生物进化过程：成长过程有序度增加SSSiedddSid熵产生内部(恒为正)Sed熵流外界(可正可负可零)开放系统：7有序度增加从一种有序到更高级的有序0SdSSiedd成熟阶段维持一种有序有序度下降生物系统在短期内或局部熵积累过多病态称负熵流0Sed如果生长阶段SSiedd0Sd0Sd衰亡阶段SSiedd8从物理学的角度看治疗的目的在于消除积熵薛定谔说：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既不是为了物质也不是为了能量而是为了熵而斗争生物从外界吸收负熵是以更大范围的熵增为代价的9四、熵与信息香农：信息是事物肯定程度的量度熵增等于信息的减少信息与负熵等效信息熵2ln1lnkPkS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能性中概率分布的集中10五、熵与社会可持续发展环保11*§5耗散结构一、问题的提出二、自组织现象三、孤立系统开放系统四、热力学过程五、涨落导致有序六、高级分支和混沌状态12一、问题的提出退化与进化1.按克劳修斯热力学理论初态→末态有序→无序非平衡→平衡退化孤立系统朝均匀简单消除差异的方向发展熵增加能量退化132.按达尔文进化论生物由单细胞人进化(极为有序)越来越复杂越来越有序(熵减少)14(蜂窝毛皮花纹)二、自组织现象1.自组织现象在一定外界条件下系统内部自发地由无序有序的现象无生命和有生命世界都有自组织现象(变为有序)空间有序时间有序(候鸟迁徙)152.耗散结构-----自组织形成的有序结构自组织现象是自发进行的但需外界提供触发条件耗散外界的能量质量16三、孤立系统开放系统热力学第二律的普遍形式1.孤立系统自发过程：有序无序内部不可逆过程引起的熵变-----熵产生diS由熵增加原理外界孤立系统diS(和外界无能量和物质的交换)0Sid172.开放系统(和外界有能量和物质的交换)熵变diS(系统熵产生)deS(与外界交换能量和物质引起的熵变)----熵流deS可0(负熵流)=00(正熵流)外界系统diSdeS实现自组织现象系统必须开放18开放系统总熵变：1)若deS0(负熵流)且|deS|diS(0)则dS=diS+deS0负熵流可使开放系统熵减少变得更有序实现自组织2)若deS0(正熵流)则dS=diS+deS0系统更混乱SSSeiddd若为正熵流则系统不会实现自组织19SSedd∴3.热二律的普遍形式SSSeiddd开放系统SSSeiddd经历任何过程系统的熵变永不小于熵流要求0Sid20开放系统自外界吸取能量即输入负熵对孤立系统deS=0开放系统的熵可增可减dS=diS0(回到原来的热二律)21普里高津(I.Prigoging比利时)1967年提出耗散结构1977年获NobelPrize(化学〕4.生命过程耗散结构打开从物理科学生命科学的窗口22•生命过程---耗散过程要活着---身体保持低熵状态热平衡----死亡•薛定谔：生命是什么?“生命之所以能存在，就在于从环境中不断得到‘负熵’”“有机体是依赖负熵为生的”----生命的热力学基础高熵---混乱23(碳水化合物净水)物质(化学能)能量负熵(CO2污水排泄物等)物质能量(功热)正熵有机体开放系统24必须是开放系统维持低熵状态低熵高能食物----如碳水化合物低熵低能食物----净水动物要吃低熵食物有机物和周围环境有物质和能量交换小结：摄入低熵物质排出高熵物质25四、热力学过程2.线性非平衡态热力学(近平衡态热力学）1.平衡态热力学（经典热力学)主要研究平衡态的性质偏离平衡态很小的系统称为近平衡系统26这说明近平衡态是稳定的对于近平衡系统只要外界作用不变即使系统内有涨落仍会回到原非平衡定态而不可能出现自组织现象普里高津指出：近平衡系统取最小值tSidd---最小熵产生原理273.非线性非平衡态热力学（远离平衡态热力学）已不是简单的线性关系就有可能出现自组织现象下面用图线来表示以上的三种情况外界的影响强烈引起系统状态的变化有其自己特有的规律28Xλ控制参量表征定态的某个参量分叉现象远离平衡的非线性区不稳定的热力学分支(b)(C)稳定的耗散结构分支稳定的耗散结构分支(C)（对应某种时空有序状态）（稳定的非平衡态）偏离平衡的线性区CλC(a)稳定的热力学分支平衡态λ0X029非平衡的不稳定态在一个细小的扰动下就可以引起系统状态的突变状态离开（b）线沿着另外两个稳定的分叉（c）或（c’）发展这称为分叉现象Xλ远离平衡的非线性区(b)(C)稳定的耗散结构分支(C)偏离平衡的线性区CλC(a)平衡态λ0X030五、涨落导致有序分叉现象表明在临界点附近的微小变化（涨落）可以从根本上改变系统的性质这叫突变现象自组织总是通过某种突变过程来实现c的存在是伴随耗散结构现象的特征系统处在不同状态涨落的作用可以很不同31(耗散结构)C点附近涨落微观客体协同动作非线性因素宏观有序状态只有适应系统动力学性质的那些涨落才能得到系统中绝大多数微观客体的响应从而波及整个系统将系统推向新的有序结构----耗散结构32耗散结构形成的条件：(c)涨落(a)开放系统(d)正反馈(b)远离平衡态(e)非线性抑制因素33例如假设某时刻在某个平衡态有如图所示的涨落（涨落总是存在的）：为简单起见假设右图是一个复杂的波形可以认为它是由许多不同频率的正弦波按一定比例叠加而成每一正弦分量称为一种涨落分量(傅立叶分析)34涨落可以使系统的状态发生突变就使系统进入某种有序状态有的涨落分量得到放大当放大到了宏观尺度与平衡态或近平衡态不同在远离平衡态的区域随着外界控制条件的变化有的涨落分量很快衰减掉35六、高级分支和混沌状态混沌状态Xλ∞λa1b1b2c1c2d1d2通过倍周期分叉走向混沌36高级分支现象说明在远离平衡态时系统可以有多种可能的有序结构高级分支会积累起各次分支中产生的自组织本领从而使系统的功能变得丰富和完备起来出现复杂的时空行为生命的进化和整个世界的发展也可以用高级分支行为来说明当系统偏离平衡态足够远时系统可能具有的耗散结构也非常多37这种无序态不同于热力学中平衡的无序状态无序的时空尺度是宏观量级的由于涨落是无法控制和偶然的所以此时系统瞬时状态的不确定性很大进入了一种无序态混沌（chaos）状态这种状态称为混沌（chaos）状态38定量的研究要提出物理模型如果我们能弄清自组织现象的规律那么我们这个世界将会更加美好!朝着我们所希望的耗散结构的方向发展自觉控制一些参数使事物然后再解相应的微分方程组建立数学模型39《大学物理学》（第二册）张三慧主编《耗散结构论》沈小峰、冯端《非平衡系统的自组织》普里高津《非平衡热力学和耗散结构》李如生《物理学导论》上册，陈宏贲，周浩祥《新概念物理教程》热学赵凯华，罗蔚茵“耗散结构”参考书