北京大学药学院：《物理化学 Physical Chemistry》课程教学资源（PPT课件讲稿）第二章 热力学第二定律（2.12）非平衡态热力学

金国高等医药教村建设委员会 卫生部规划教材物理化学第6版 ds=d stds Entropy flux Entropy-production 第十二节非平衡态热力学 著里高 耗散结构

普里高京 －－耗散结构d d d S S S = + e i Entropy flux Entropy-production 第十二节 非平衡态热力学

开放糸统的定态 已定律 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? 人厌卫4版越

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？

开放糸统的定态 已定律 >热力学平衡态:①状态函数不随时间变化,即达到 定态。②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。 人厌卫4版越

➢热力学平衡态： ①状态函数不随时间变化，即达到 定态。②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

开放糸统的定态 已定律 8Q-→8Q 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。 人厌卫4版越

Q Q d T2 T1 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

二、熵流、熵产生和耗散结构 已定律 孤立系统:dS≥0 任意敞开系统:dS=d2S+d Entropy-production Entropy flux √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dS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dS表示,dS≥0。 人民卫试实版越

孤立系统： dS  0 任意敞开系统： S S S e i d = d + d 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, diS0。 二、熵流、熵产生和耗散结构

二、熵流、熵产生和耗散结构 已定律 任意开放系统:dS=d,S+d,S Ⅺ无法显示该图片 Entropy flux Entropy-production d s ∑ lδQ dt T dt ∑SB (1)孤立系统: 6QB=0 ds ds =0 dt dt 自发变化dS20,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 人民卫试实版越

e 1 B B B B d S Q dn S dt T dt dt  = +   0, 0 Q dn B B dt dt  （1）孤立系统： = = i dS d S dt dt = 自发变化dS0, 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： d d d S S S = + e i Entropy flux Entropy-production 二、熵流、熵产生和耗散结构

二、熵流、熵产生和耗散结构 已定律 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dS的绝对值 很大。 S|≥d,S 论 当S=d,s,d=0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lS>dS,ds<0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。 人氏卫比版越

(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。 e i d S d S  0 e i 当 d S d S dS = = ， 0 e i d S d S dS   ， 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

二、熵流、熵产生和耗散结构 已定律 ds=d stdS ●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4S>0 dt ●机体维持生命,保持有序状态,是靠吸入低熵排出高熵, 使dS<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 人民卫试实版越

⚫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 0 i d S dt  d d d S S S = + e i ⚫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

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