热力学第二定律熵概念推广耗散结构.ppt

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,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,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,熵产生 内部(恒为正),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,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,8,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,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,13,2.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),15,2.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 di S,由熵增加原理,外界,孤立系统,di S,(和外界无能量和物质的交换),17,2.开放系统,(和外界有能量和物质的交换),熵变,di S(系统熵产生),de S(与外界交换能量和物质引起的熵变)-熵流,de S 可,0(负熵流),=0,0(正熵流),外界,系统,di S,de S,实现自组织现象系统必须开放,18,开放系统总熵变：,1)若 deS 0(负熵流),且|deS|di S(0),则 dS=di S+deS 0,负熵流可使开放系统熵减少 变得更有序 实现自组织,2)若 deS 0(正熵流),则 dS=di S+deS 0,系统更混乱,若为正熵流 则系统不会实现自组织,19,3.热二律的普遍形式,开放系统,经历任何过程系统的熵变永不小于熵流,要求 0,20,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=di S 0,(回到原来的热二律),21,4.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,23,24,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,-最小熵产生原理,27,3.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,28,分叉现象,远离平衡的非线性区,（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,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,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),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：,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,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,