耗散结构简介

1、耗散结构简介1自组织现象热力学第二定律说明了孤立系统中进行的自然过程有方向性：有序一无序退化,克劳修斯提出自然界实际上也存在许多相反的过程：无序T有序进化,达尔文提出一个系统由无序变为有序的自然现象称为自组织现象.例1：生命过程中的自组织现象1蛋白质大分子链由儿十种类型的成千上万个氨基酸分子按一定的规律排列起来组成.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,是一切计算机所替代不了的.如看一张相片,分辨男？女？大约年龄？对带有输入“器官眼睛的大脑是很简单的事情,对计算机来说就非常复杂了.假定蛋白质是随机形成的,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1

2、O109亿年才能出现一次特殊的排列.这种有组织的排列决不是随机形成的2树叶有规那么的形状；动物毛皮有花纹,蜜蜂窝；龟背空间有序3留鸟的迁移；中华鲍的徊游时间有序例2、无生命世界的自组织现象1六角形的雪花；2鱼鳞状的云；图1美妙的雪花3激光4贝纳特现象Benard当丁二72-八=0时平衡态当了但不太大时,稳定的非平衡态单纯热传导当丁八时,出现有序的宏观对流.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,能量得以更有效的传递.自组织现象是与热力学笫二定律的有序T无序时间箭头相矛盾的！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.t2Ti>T2Ti（a） <AT

3、<Tc单纯热传导同剧.画画h（b） AT>Tc有序对流一贝纳特现象2、开放系统的嫡变热力学第二定律：孤立系统中发生的过程AS>0：但对一个开放系统,增有可能减少！开放系统：与外界有能量交换通过作功、传热或物质交换的系统.2、1理论上的可逆过程状态1到状态2燧的增量匐=1：半可逆对孤立系统：因绝热AS=,熠不变对开放系统：假设单调吸热d0>O,A5>0燃增加；假设单调放热dg<0,AS<0燧减少.2、2对实际的不可逆过程上式不能用！利用卡诺定理可以证实丝>丝或产丝JiTJTJT可逆不可逆不可逆证实：1考虑工作在不、Ti两个热源间的不可逆热机,它的效

4、率小于可逆热机即卡诺热机的效率：不可逆<可逆侏可逆=1一|凶/储=1+.2/乌&<0可逆=-T2!Tx.l+Q/Qvl刀对即：储/4+0/<.所以该不可逆热机的热温比之和小于零.2再考虑任意的不可逆循环,将它与无数个热源交换热量,可以得到:$吆<0克劳修斯不等式不可逆3最后考虑如图3所示的不可逆循环过程：布丝=产也+产丝=产也产丝<0JTJT人21J7JT不可逆可逆不可逆可逆不可逆于是得证.对孤立系统：假设绝热dg=O,AS>0增增加对开放系统：假设吸热dg>0,AS>正数燧增加假设放热dg<0,AS>负数三种可能：AS为正端

5、增加；为零燃不变；为负增减少所以,对于开放系统不管可逆或不可逆燧是可以减少的.通常引入“负熠流的概念：一个系统燧的变化：由系统内部过程引起的&SNO与系统外部交换物质或能量引起的de5>0称为“熠流可正可负整个系统的瘠变即为dS=d£+&S假设deSvO负嫡流,而且IdcSI>diS,那么dS<0系统燧减少那么系统变得更有序,所以系统变得更有序是依靠开放系统的负燧流！例如,贝纳特实验中流体系统是一个开放系统.随着热量的流进流出,系统的燧在变化.假设流进流出的热量相等,记作idei流进的燧为Idgl/Ti,流出的端IdgI/r2o由于T>T1,A

6、IdgI/Fi<IdgI/r2即流出的燧大于流进的燧.假设净流出的端超过了系统内部的增产生,系统的端就减少,系统就从无序一有序.人体是一个开放系统,吃饭是为了产生“负燧流.3、远离平衡态的分叉现象三种热力学：平衡态热力学经典热力学主要研究平衡态的性质,例如贝纳特实验中7二的情形线性非平衡态热力学近平衡态热力学外界的影响较小,外界的作用与系统状态的变化可以看成简单的线性关系.例如贝纳特实验中,7>但较小的情形.还不可能发生自组织的现象.非线性非平衡态热力学远离平衡态热力学外界的影响强烈,它引起系统状态的变化已不能看成简单的线性关系,有其特有的规律.例如贝纳特实验中/'>

7、£时的情形.这时,就有可能出现自组织现象.图4表示上述情况,其中尢为外界对系统的限制参数,对贝纳特实验AT=02>4->AT>TcX定态0以稳定的耗触结构分支If远阈平衡的不稼定态IX.?*高.非平衡的稳定岑稳定的耗触结构分支i0外界对系统的限制参数件I4三种热力学远离平衡态时出现分义现象.分义现象：非平衡的不稳定态在一个细小的扰动下,就可以引起系统状态的突变,状态离开b线沿着另外两个稳定的分义c,或1开展,这称为分义现象.分级分义：当限制参数进一步增大时,各稳定的分支乂会变得不稳定,从而出现二级分义或更高级分义.如图5所示.混沌现象：对于一个较大的入,由于存在非常

8、多种可能的耗散结构,系统究竟处于哪一种耗散结构完全无法预知,这称为混沌现象图5.由于每一次分义都会赋予系统一定的性质和功能,最后系统就有了较复杂的性质和功能生物的进化树！在贝纳特实验中,当丁很大而且继续加大时;将会出现多种花纹的更替,最终走向混沌和湍流.4、耗散结构分义C或cO上,每一个点都对应着某种时空有序的概念.开放系统在远离平衡态的稳定的有序结构称为耗散.对称性的破缺：在分义点以前,系统是平衡态或近平衡态,在时间、空间上比拟均匀对称；在分义点以后,系统处于耗散结构状态,破坏了原的对称性,这称为对称性的破缺.产生某种对称性破缺的直接原因是涨落.1969年,比利时科学家普里高津Prigogi

9、ne提出耗散结构论,1977年获诺贝尔化学奖.5、通过涨落到达有序形成一个耗散结构必须有以下五个条件:(1)开放系统(2)远离平衡态(3)涨落突变(4)正反应非线性抑制因素假设某个平衡态某时刻有如图6所示的涨落涨落点是存在的,为简单起见假设它是一个复杂的波形图6上图.图6涨落可以认为它由许多不同频率的正弦波按一定比例叠加而成.付立叶分析.每一正弦分量称为一种涨落分量.在远离平衡态的区域,涨落可以使系统的状态发生突变.随着外界限制条件的变化,有的涨落分量很快衰减掉,有的涨落分量却得到放大,放大到了宏观尺度,就使系统进入某种有序状态.某种医学理论认为,病人效劳或注射某些药物,重要的不是起补偿作用,

10、而是造成一种涨落.人体中有不少ATP三磷酸腺甘,但是冠心病人每次只要注射20mgATP就有明显疗效.它是引起某种涨落,通过涨落使病人向健康人转化,建立一种新的有序状态.白蚁建窝是自组织现象,有的筑得很大,且有立柱,有拱券.建筑过程中,有涨落,也有正反应,也有非线性抑制因素.激光器出激光,要输入足够功率开放系统才能造成粒子数反转状态远离平衡态.当能量hv=Ei的一个光子入射时涨落引起受激辐射光放大,出来两个全同光子.不是所有涨落都能得到足够放大,只有沿轴线方向的光子才行.1-2T4-8正反应但激光的强度不会无限增大下去,在光强增大,粒子数反转的程度会减弱它相应地使受激辐射的光强减小非线性抑制因素.鼓励能源1图8激光器反饮机制、抑制因素一个城市的形成与开展也是符合以上五个条件略.6、结束语耗散结构理论近年来有很大的开展,而且在实践中已经应用.美国有人研究东西部人口的空间分布规律；加拿大有