非平衡态热力学简介.ppt

第十二节 非平衡态热力学,一、开放系统的定态,孤立系统中，自发变化朝着消除差别、均匀、混乱度增加、作功能力减小的方向进行，这是一种趋于能量退化的方向。,生物界进化过程是从单细胞到多细胞，从简单到复杂，从无序朝着有序性增加方向进行。,生物界的进化，与自发变化趋于无序的退化方向形成鲜明对照，如何把这两种进程统一起来？,热力学平衡态：状态函数不随时间变化，即达到定态。系统内部不存在物理量的宏观流动，如热流、粒子流等。,非平衡的稳定态：又称定态，指体系的任何体积单元的热力学性质不随时间而变化的稳定状态。,孤立系统，定态就是平衡态；开放系统达到定态，不一定是平衡态。,一、开放系统的定态,热导体稳定存在的前提是T1,T2保持不变。,例二 生物体在发展某一阶段可能处于宏观不变的定态，但生物体内进行新陈代谢过程，因此生物体不随时间变化的状态是非平衡定态，而不是平衡态。,例一,一、开放系统的定态,孤立系统：,任意敞开系统：,Entropy flux,Entropy-production,熵流：系统与环境之间通过界面进行热量和物质交换时，进入或流出系统的熵变。用deS表示,可正，负，零。,熵产生：系统内部自然而然地发生趋向平衡态的自发不可逆变化，由此引起的熵变。用diS表示,diS0。,二、熵流、熵产生和耗散结构,（1）孤立系统：,自发变化dS0,表示系统的熵将趋于最大，生物将达到热力学平衡态，这样的系统，生命无法生存。,任意开放系统：,二、熵流、熵产生和耗散结构,(2)开放系统：如人体，摄入蛋白质，脂肪，淀粉等低熵大分子，排出相对无序高熵小分子；此外不断对环境散发热量和做功，所以体系的熵流为负值，且deS 的绝对值很大。,当,系统将达到定态（非平衡体系的稳定状态），生命将维持有序不变。,当,说明系统将向更有序的方向发展，生命进化。,耗散结构(dissipative structures)普里高京，1977年诺贝尔奖。,讨论,二、熵流、熵产生和耗散结构,健康的生物体，有血液流动、扩散、各种物质生化变化等不可逆过程，体内熵产生,机体维持生命，保持有序状态，是靠吸入低熵排出高熵，使deS 0。因此生物体从无序进入有序的耗散结构状态，与热力学第二定律并不相矛盾。,二、熵流、熵产生和耗散结构,再见！,