《高职高专物理》第四章 热力学基础（4.7）耗散结构

§47耗散结构 热力学第二定律指出,自然界的一切实际过程都是不可逆的。从能量上来说, 不可逆过程虽然不“消灭”能量,但总要或多或少地使一部分能量变成不再 做有用功了。这种现象叫做能量的退降或能量的耗散。从微观上说,过程的不可 逆性表现为:在孤立系中的各种自发过程总是要使系统的分子(或其它的单元) 的运动从某种有序的状态向无序的状态转化,最后达到最无序的平衡态而保持稳 定。这就是说,在孤立系中,由于不可逆过程的进行,这种有序将被破坏,任何 的差别将逐渐消失,有序状态将转变为最无序的状态(平衡态);而热力学第二 定律又保证了这最无序的状态的稳定性,它再也不能转变为有序的状态了 一、自组织现象 在一定的外界条件下,开放系统内部自发地由无序变为有序的现象称为自组 织现象 1生命过程的自组织现象 生物界的有序是很明显的,各种生物都是由各种细胞按精确的规律组成的高度有 序的机构。如人的大脑就是由多至150亿盖神经细胞组成的一个极精细、极有序 的装置。每个生物细胞中也有非常奇特的有序结构。这是生物体的空间有序。各 种侯鸟的冬去春来是生物体的时间有序现象。 个系统的内部由无序变为有序使其中大量分子按一定的规律运动的现象就是 生物的自组织现象。生命过程实际上就是生物体持续进行的自组织过程。这一过 程是系统内不平衡的表现,而且不会达到平衡,一旦达到平衡而有序状态时,生 命也就停止了。 2无生命世界的自组织现象 在地球上常看到天空中的云有时会形成整齐的鱼鳞状或带状:;在高空水汽凝结会 形成非常有规则的六角形雪花;太阳系是一个空间有序的结构,所有行星都大致 在同一平面内运行而且绕着相同的方向;中子星以及其准确的周期自转,说明宇 宙发展也经历了自组织过程。这些都是大自然中产生的空间有序的自组织现象 3实验室中的自组织现象

1 §4.7 耗散结构 热力学第二定律指出，自然界的一切实际过程都是不可逆的。从能量上来说，一 个不可逆过程虽然不“消灭”能量，但总要或多或少地使一部分能量变成不能再 做有用功了。这种现象叫做能量的退降或能量的耗散。从微观上说，过程的不可 逆性表现为：在孤立系中的各种自发过程总是要使系统的分子（或其它的单元） 的运动从某种有序的状态向无序的状态转化，最后达到最无序的平衡态而保持稳 定。这就是说，在孤立系中，由于不可逆过程的进行，这种有序将被破坏，任何 的差别将逐渐消失，有序状态将转变为最无序的状态（平衡态）；而热力学第二 定律又保证了这最无序的状态的稳定性，它再也不能转变为有序的状态了。 一、自组织现象 在一定的外界条件下，开放系统内部自发地由无序变为有序的现象称为自组 织现象 1 生命过程的自组织现象 生物界的有序是很明显的，各种生物都是由各种细胞按精确的规律组成的高度有 序的机构。如人的大脑就是由多至 150 亿盖神经细胞组成的一个极精细、极有序 的装置。每个生物细胞中也有非常奇特的有序结构。这是生物体的空间有序。各 种侯鸟的冬去春来是生物体的时间有序现象。 一个系统的内部由无序变为有序使其中大量分子按一定的规律运动的现象就是 生物的自组织现象。生命过程实际上就是生物体持续进行的自组织过程。这一过 程是系统内不平衡的表现，而且不会达到平衡，一旦达到平衡而有序状态时，生 命也就停止了。 2 无生命世界的自组织现象 在地球上常看到天空中的云有时会形成整齐的鱼鳞状或带状；在高空水汽凝结会 形成非常有规则的六角形雪花；太阳系是一个空间有序的结构，所有行星都大致 在同一平面内运行而且绕着相同的方向；中子星以及其准确的周期自转，说明宇 宙发展也经历了自组织过程。这些都是大自然中产生的空间有序的自组织现象。 3 实验室中的自组织现象

1)贝纳尔对流 1900年法国学者贝纳尔在研究热对流时观察到的对流有序现象。他在一个盘子 中倒入一些液体。当从下面加热时,刚开始时温度梯度不太大,流体中只有热传 导,未见有显见的扰动。但当流体中的温度梯度超过某一临界值时,原来静止的 液体中会突然出现许多规则的六角形对流格子,此时液体内部的运动转向宏观有 序化。 贝纳尔对流是一种空间有序结构 2)B-Z反应 种化学反应中的自组织现象 250C时,将溴酸钾、丙二酸和硫酸铈溶解于硫酸中, 加以搅拌,硫酸的颜色会在红色与蓝色之间振荡, 振荡的周期是小时数量级。 B-Z反应是一种时间有序结构。 二、耗散结构 比利时物理学家普里高津在1969年在把物理和生物过程结合起来研究时提出了 耗散结构理论。 定义:在非平衡条件下通过能量耗散过程产生和维持的时间和空间的有序结构, 称为耗散结构 特征:1、耗散结构发生在开放系统中,它要靠外界不断地提供能量或 物质才能维持。 2、只有当控制参量达到一定临界值时,耗散结构才会出现。 3、它具有时间或空间的结构,其对称性低于耗散结构发生前的时 空均匀状态。 4、耗散结构是稳定的,它不受任何小扰动的破坏。 5、耗散结构是一种非线性现象。 三、开放系统的熵变 一个系统内分子运动的无序程度是用熵来定量地描述的。一个孤立系内的自发过 程是沿着有序向无序的的方向进行,也可以说成是沿着使系统的熵增加的方向进

2 1）贝纳尔对流 1900年法国学者贝纳尔在研究热对流时观察到的对流有序现象。他在一个盘子 中倒入一些液体。当从下面加热时，刚开始时温度梯度不太大，流体中只有热传 导，未见有显见的扰动。但当流体中的温度梯度超过某一临界值时，原来静止的 液体中会突然出现许多规则的六角形对流格子，此时液体内部的运动转向宏观有 序化。 贝纳尔对流是一种空间有序结构。 2 ）B-Z 反应 一种化学反应中的自组织现象。 250C 时，将溴酸钾、丙二酸和硫酸铈溶解于硫酸中， 加以搅拌，硫酸的颜色会在红色与蓝色之间振荡， 振荡的周期是小时数量级。 B-Z 反应是一种时间有序结构。 二、耗散结构 比利时物理学家普里高津在 1969 年在把物理和生物过程结合起来研究时提出了 耗散结构理论。 三、开放系统的熵变 一个系统内分子运动的无序程度是用熵来定量地描述的。一个孤立系内的自发过 程是沿着有序向无序的的方向进行，也可以说成是沿着使系统的熵增加的方向进 特征： 1、耗散结构发生在开放系统中，它要靠外界不断地提供能量或 物质才能维持。 2、只有当控制参量达到一定临界值时，耗散结构才会出现。 3、它具有时间或空间的结构，其对称性低于耗散结构发生前的时 空均匀状态。 4、耗散结构是稳定的，它不受任何小扰动的破坏。 5、耗散结构是一种非线性现象。 贝纳尔对流 定义：在非平衡条件下通过能量耗散过程产生和维持的时间和空间的有序结构， 称为耗散结构

行,这就是熵增加原理 熵增加的规律只是对孤立系来说的。实际上遇到的发生自组织现象的系统,都不 是孤立系,它们都是在不断地和外界交换能量和物质的条件下才能进行。这种和 外界既有能量交换又有物质交换的系统叫开放系统,自组织现象都是在非孤立 的、封闭的或开放的系统中进行的。 1开放系统的熵变 对于非孤立系统,熵的变化可以形式地分为两部分。一部分是由于系统内部的不 可逆过程引起的,叫做熵产生,记做A 一部分是由于系统和外界交换能量或物质而引起的,叫做熵流,记做△S △S由于系统内部的变化引起根据热力学第二定律△S>0 △S由系统与外界交换能量或物质引起,可正可负 对于开放系统,整个系统的熵变S=AS+AS 2生物负熵 熵流可以是负值,对于产生耗散结构的开放系统 且 △S|>△S 所以 只要外界提供足够的负熵,就可以从无序状态变为有序状态。所以产生耗散结构 的开放系统必须有负熵流 这表示经过这样的过程,系统的熵会减小,系统就由原来的状态进入更加有序的 状态。就是说,对于一个封闭系统或开放系统存在这由无序倒有序的转化的可能

3 行，这就是熵增加原理。 熵增加的规律只是对孤立系来说的。实际上遇到的发生自组织现象的系统，都不 是孤立系，它们都是在不断地和外界交换能量和物质的条件下才能进行。这种和 外界既有能量交换又有物质交换的系统叫开放系统，自组织现象都是在非孤立 的、封闭的或开放的系统中进行的。 1 开放系统的熵变 对于非孤立系统，熵的变化可以形式地分为两部分。一部分是由于系统内部的不 可逆过程引起的，叫做熵产生，记做 一部分是由于系统和外界交换能量或物质而引起的，叫做熵流，记做 2 生物负熵 熵流可以是负值，对于产生耗散结构的开放系统 且 所以 只要外界提供足够的负熵，就可以从无序状态变为有序状态。所以产生耗散结构 的开放系统必须有负熵流。 这表示经过这样的过程，系统的熵会减小，系统就由原来的状态进入更加有序的 状态。就是说，对于一个封闭系统或开放系统存在这由无序倒有序的转化的可能。 Δ i S Δ e S Δ i S 由于系统内部的变化引起,根据热力学第二定律 Δ 0 i S  ΔSe 由系统与外界交换能量或物质引起 ,可正可负 对于开放系统 ，整个系统的熵变 Δ i e S S S ＝ +  Δ 0 e S  S > e i ΔS Δ 0 S 