华中科技大学：《大学物理》课程教学资源（PPT课件讲稿）耗散结构讲义

耗散结构简介 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 耗散结构”参考书

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 “耗散结构”参考书

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。 退化与进化 时热力学:孤立系——能量退化(热寂论) 间生物学:开放系—物种进化 箭 退化(克劳修斯) 头有序 无序 进化(达尔文)

2 已成为研究自然现象和社会问题的 有力武器。 *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， 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 退化（克劳修斯） 进化（达尔文） 时 间 箭 头

二自组织现象和耗散结构 自组织现象:在一定外界条件下,系统内部 自发地由无序变为有序的现象。 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: ◆六角形的雪花; 鱼鳞状的云;

3 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：  六角形的雪花；  鱼鳞状的云；

◆贝纳德( Benard)对流 T2、大导热板 2 2 距离 很小 Q T1=72 们1>72,△772,△T>△TC 液体静止 液体静止,热传导液体对流传热 平衡态 稳定的非平衡态出现宏观有序 对称 对称 对称破缺 千千万万的分子被组织起来,/8 参加一定方式的宏观定向运动, 使能量得到更有效的传递。 蜂窝模式

4 贝纳德（Benard）对流 液体静止，热传导 液体对流传热 T1=T2 T2 大导热板 距离 很小 平衡态 稳定的非平衡态 Q T2 T1>T2 ，△T T2 ， T2 △T >△TC 出现宏观有序 使能量得到更有效的传递。 蜂窝模式 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 对称破缺

▲生物界 ◆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。 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。假定这种排列是随机形成的, 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100亿年才能出现 次特定的排列。而地球年龄才几十亿年! 这种有组织的排列决不是随机形成的。5

5 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10 进行100次排列, 109亿年才能出现 那么即使每秒

◆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。6

6 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

接近平衡 →生成物均匀、对称、莠 反态比例 应物浓 黄色 (B) 远离平衡生成物无色周期交替 度态比例 颜色红色周期交替 或 蓝色(z) 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。7

7                         → → （ ） 周期交替 蓝 色 红 色 或 周期交替 （ ） 无 色 黄 色 颜 色 生成物 态比例 远离平衡 生成物均匀、对称、无序 态比例 接近平衡 Z B 反 应 物 浓 度 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

自组织现象是与热力学第二定律的 有序□→无序的时间箭头不一致的! 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。 开放系统的热力学第二律 孤立系统进行自发过程S个 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dS表示。 由熵增加原理:dS≥0

8 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。 自组织现象是与热力学第二定律的 有序 无序的时间箭头不一致的！ 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：di S  0

要实现自组织,系统必须开放。对开放系统,除 除dS外还有与外界能量或物质交换引起的熵变, 称为熵流,用dS表示。 开放系统总熵变dS=d1S+d2S d.S0——正熵流 若负熵流足够强,以至|d2S}>dS时,有 dS=d,s+d.S<0→S↓ ∴开放系统可能因负熵流足够强而实现自组织

9 要实现自组织，系统必须开放。 除di S 外还有与外界能量或物质交换引起的熵变， 对开放系统，除 称为熵流，用de S 表示。 开放系统总熵变 d S = di S + de S de S  0 ──负熵流 de S  0 ──正熵流 若负熵流足够强，以至 | de S | di S 时， d S = di S + de S  0 有 S  ∴ 开放系统可能因负熵流足够强而实现自组织

例如贝纳德实验中,流体系统是个开放系统, 随着热量的流进流出,系统的熵在变化。 若流进流出的热量记作dQ,则 流进的g 流出的g 因为T>T2 所以 de do 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 人体是一个开放系统,吃饭就是为了产生 负熵流

10 例如贝纳德实验中，流体系统是个开放系统， 因为 T1  T2 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”。 若流进流出的热量记作dQ， 流进的熵 1 d T Q 流出的熵 2 d T Q 所以 1 2 d d T Q T Q  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