材料物理学第5.1 1 耗散结构课件.ppt
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1、1,第五章 材料中的非线性现象5.1.1 耗散结构理论简介5.1.2 混沌5.2 材料中的分形 5.3 相变与临界现象5.4 相变动力学逾渗5.5 有效媒质理论,材 料 物 理 学,2,5.1-1 耗散结构简介,一.退化与进化,二.自组织现象和耗散结构,三.开放系统的热力学第二律,四.远离平衡态的分叉现象,五.涨落导致有序,六.高级分支和混沌状态,3,*耗散结构(Dissipative structure),耗散结构理论是普利高津(I.Prigoging)于1967年创立,他1977年获诺贝尔化学奖。该理论中的许多概念,如开放系统负熵流突变等,已成为研究自然现象和社会问题的有力武器。耗散结构泛
2、指一个系统在非平衡和开放条件下,在与外界环境交换物质和能量的过程中,通过系统内部的能量耗散过程产生和维持的某种宏观的时(间)-空(间)有序结构。,一.退化与进化,热力学:,孤立系 能量退化,(热寂论),生物学:,开放系 物种进化,有序,无序,4,二.自组织现象和耗散结构,自组织现象:,自发地由无序变为有序的现象。,在一定外界条件下,系统内部,这种演化过程叫自组织过程。,1.自组织现象中的空间有序结构,无生命界:,5,液体静止,热传导,液体对流传热,平衡态,稳定的非平衡态,液体静止,出现宏观有序,使能量得到更有效的传递。,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,,对称,对称,对称
3、破缺,6,蛋白质大分子链由几十种类型的成千万个氨基酸分子按一定的规律排列而成。,生物界,大脑是150亿个神经细胞有规律排列组成的极精密极有序的系统。,而地球年龄才几十亿年!,而且每一种排列有相等的概率,一次特定的排列。,这种有组织的排列决不是随机形成的。,假定这种排列是随机形成的,也要经过10109亿年才能出现,进行100次排列,那么即使每秒,7,树叶有规则的形状;,动物毛皮的花纹;龟背的图案,2.自组织现象中的时间有序结构,无生命界:,B-Z反应,苏,1958 贝鲁索夫(Belousov)扎玻庭斯基(Zhabotinski),溴酸氧化反应:柠檬酸+丙二酸,铈(Ce)离子催化。,8,反应物浓度
4、,说明离子浓度出现了时间有序结构。,生物界,中华鲟回游,侯鸟迁移,,有生命界和无生命界都有共同规律可循。,9,要将它们用物理学规律统一起来,必须抓住孤立系统与开放系统的区别。,三.开放系统的热力学第二律,孤立系统进行自发过程 S。,这种由于系统内部经历的不可逆过程而引起的熵变称为熵产生,,用di S 表示。,由熵增加原理:,10,要实现自组织,系统必须开放。,对开放系统,除di S 外还有与外界能量或物质交换引起的熵变,称为熵流,用de S 表示。,开放系统总熵变,负熵流,正熵流,若负熵流足够强,以至,有时,,开放系统可能因负熵流足够强而实现自组织。,11,例如贝纳德实验中,流体系统是个开放系
5、统,,因为,即流出的熵大于流进的熵。,系统的熵就减少,系统就从无序有序。,人体是一个开放系统,吃饭就是为了产生“负熵流”。,则,若净流出的熵超过了系统内部的“熵产生”,,随着热量的流进流出,系统的熵在变化。,12,若为正熵流,则系统不会实现自组织。,考虑到总有 dSi 0,,即系统经历任何一个过程后,其熵变永远不会小于熵流,热力学第二定律的普遍形式。,四.远离平衡态的分叉现象,主要研究平衡态的性质。,1.平衡态热力学(经典热力学),例如,贝纳德实验中 T=0 的情形。,13,例如,贝纳德实验中,T 0 但较小的情形。,2.线性非平衡态热力学(近平衡态热力学),偏离平衡态很小的系统称为近平衡系统
6、。,近平衡系统,二者呈简单的线性关系,(宏观性质不随时间改变),非平衡的定态,普里高津指出:近平衡系统 取最小值,最小熵产生原理,这说明近平衡态是稳定的。,14,而不可能出现自组织现象。,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,,例如,贝纳德实验中 时的情形。,这时,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:,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,,外界的影响强烈,,它引起系统状态的变化,有它自己特有的规律。,15,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,
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