非平衡相变现象.doc

非平衡相变现象非平衡相变是在系统非平衡状态下出现的一种系统内部的自组织现象。从热力学的角度看，它是开放系统由于存在负熵流而引起的系统熵的减少和有序度的增加。因为对于开放系统来说，总熵变为dS=deS+diS（其中deS是外界注入的熵diS是内部消耗的熵）若存在负熵流则deS|diS|则系统的总嫡变化为负，即dS0，从而使系统的有序度增加，这便是非平衡相变的可能的热力学解释。一、 激光现象非平衡相变的著名例子是物理上的激光。拿气体激光器来说，它是一个气体放电管，管内充有低压(1.33102Pa)氦气和(13.3Pa)氖气的混合气体，它们都是单原子分子。管子两端有反射镜。当外界通过泵浦(激励能源)输给管内原子系统能量时，氦氖原子会受到激励而发射光子。但是，当外界输给原子系统的能量小于一定的临界(阂)值时，系统每个原子独立地发射光子，这些光子的频率和位相都是无序的，当外界供给的能量达到阂值时，激光器中的原子系统会协同一致地发射出频率和位相相同的光子，它们就是激光。如果把原子发射出来的所有光子形成的光场作为研究的对象，则这种光场系统在能量闭值前后的有序程度发生了明显的改变，而且发射激光时的气体系统也处在非平衡的有序状态。所以激光是一种非平衡相变和自组织现象。二、 化学钟现象早在19世纪，人们将碘化钾溶液加到含有硝酸银的胶体介质中就发现了所得到的碘化银沉淀会形成一圈圈规则间隔的环这样一种周期沉淀现象；1873年李普曼报道了汞心实验：把汞放在玻璃杯中央，汞附近置一铁钉，再把硫酸和重铬酸钾溶液注人杯中，就会发现汞球象心脏一样周期跳动；1921年布雷发现在碘酸碘水催化双氧水分解反应实验时可以看到该分解反应中氧的生成速率和溶液中的碘的浓度都呈周期变化的现象。但是，由于受到传统的经典热力学限制以及当时科学技术的局限，这些现象并不能被人们解释，也末引起化学家们的足够重视。因为根据热力学第二定律：孤立系统的自发化学过程总是使系统不可逆地趋向熵最大的平衡态(即混沌度最大的状态)方向进行。根据上述理论，开放系统中上述现象将无法解释直到1959年，前苏联化学家别洛索夫和生物学家札博廷斯基在著名的 BZ实验中发现了自组织现象，即反应分子在宏观上好像接到某种统一命令，自己组织起来，形成宏观的空间和时间上的一致行动。在BZ实验巾，将硫酸铈、乙二酸、溴酸钾、硫酸和氧化还原指示剂混合，就会发现溶液一会儿呈红色(产生过量的Ce离子)，一会儿呈蓝色(产生过量的Ce离子)，像钟摆一样作规则的时间振荡化学振荡或化学钟)，有时也会观察到非周期的过程(化学湍流)。三、 贝纳德现象1900年贝纳德发现了对流有序现象，他在一个圆盘中倒入一些液体。当从下面加热这一薄层液体时，刚开始上下液面温差不太大，液体中只有热传导。但当上下液面温度梯度超过某一临界值时，对流突然发生，并形成很有规律的对流花样。从上往下俯视，是许多像蜂房那样的正六角形格子（如上图）。中心液体往上流，边缘液体往下流，或者相反。这是一种宏观有序的动态结构。而当温度梯度偏离这个特定值时，贝纳德花样立即消失。这表明，在一个开放系统中，当与外界交换能量或粒子时，系统的熵可以减少而形成稳定的结构。如果把液体形成贝纳德花样时的状态与结构称为有序相，而以前的状态称为无序相的话，则这就是系统的一种非平衡相变。四、 阿尔巴枯菌的聚集现象在生物学方面例子更多，为大家引用最多的是阿尔巴枯菌的聚集过程。在成熟的粘菌变形虫耗尽其食物资源而将陷入饥俄时，它们就以脉冲形式自发分泌出环式AMP(一磷酸腺贰)，使它们聚集起来。起初只有少数变形虫分泌这种吸引物(AMP),然后它们变成吸引其他变形虫的中心。脉冲频率最初是每5min一次，在聚集过程中增加到每2min一次。初始，信号在发射后的几秒钟内衰减，同时被传到附近的变形虫那里，而这些变形虫又把信号传给更远一些的变形虫，如此继续下去。脉