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普里高津不克不及注释紧随分叉后系统对新动态

  • [日期:2019-11-27]
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  Onsager倒易关系-山东大学课程核心_近程、收集教育_教育_教育专区。Onsager

  物理化学课程若何引见非均衡态热力学 南开大学化学系 朱志昂 E-mail:南开大学 会议演讲 ◎Nankai Unversity 会议演讲 目次 一、均衡态热力学特点及局限性 三、非线性非均衡态热力学 二、线. 非线性非均衡定态不变性 判据----超熵发生判据 2. 自组织现象 3. 耗散布局 3. 熵发生道理 4. 最小熵发生道理 2 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 一、均衡态热力学特点及局限性 1. 热力学成长的三个阶段 第一阶段: 均衡态热力学(即典范热力学) 热力学三大定律为根本,一百多年汗青。 第二阶段: 线年代,昂萨格 (Lars Onsager 1903一1976, 出生于挪威奥斯陆,1928年移居美国,1945年插手美国籍, 1968年获诺贝尔化学。) 提出了线性唯象系数的对称道理 一 昂萨格倒易关系,它是不成逆热力学最早的理论。 3 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 一、均衡态热力学特点及局限性 20世纪40年代,普利高津 (Ilya Prigogine,比利时 物理化学家,1917年1月25日出生正在莫斯科,2003年5月28 日归天。十月时到比利时假寓,正在布鲁塞尔 大学获理学博士学位,并留校任教。1967年后任美国设正在 德克萨斯州大学(奥斯汀)的统计力学和热力学研究核心 的担任人。) 按照局域均衡假设和昂萨格倒易关系,将热 力学第二定律推广到敞开系统,提出了最小熵发生道理,建 立了线 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 一、均衡态热力学特点及局限性 第三阶段: 非线性非均衡态热力学 普利高津及其学派把不成逆过程热力学推广到远离平 衡的非均衡非线性区,提出了出名的耗散布局理论,这 是热力学理论成长史上的一个主要里程碑,因此荣获 1977年诺贝尔化学。 第二阶段和第三阶段是交叉进行的,这两个阶段是 当今热力学研究的前沿范畴。 5 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 一、均衡态热力学特点及局限性 2.均衡态热力学特点及局限性 (1)研究的对象是处于均衡态的宏不雅物体,不考虑布局, 不考虑时间。 (2)会商的是均衡态或是可逆过程的热力学问题,对不成 逆过程只是正在始态和终态都是正在均衡态的环境下,按照 热力学第二定律成立了一些热力学不等式,判别过程进 行的标的目的,并不涉及不成逆过程本身。天然界现实发生 的过程都是不成逆的。热力学判据只合用孤立系统或封 闭系统,而现实上大多是敞开系统。 6 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 一、均衡态热力学特点及局限性 认为系统老是自觉地趋于均衡、趋于无序,现实上趋 向均衡、趋势无序并不是天然界的遍及纪律。典范热力学 深刻阐了然均衡形态下各类化学现象的纪律,确立了能量 转换关系,明白指出宏不雅过程的标的目的和极限,为化工出产 供给了理论根本。但典范热力学无法现实的不成逆过 程的内正在纪律。 7 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 要处理的问题: 若何判别变化的标的目的和限度? 1. 局域均衡假设 (1) 稳态 热力学均衡态(equilibrium state) 不单要求系统没有宏不雅位移,并且要求孤立系统中各部 分的所有宏不雅性质都不随时间而变。非孤立系统的均衡形态必 须同时满脚下列两个前提:(i) 系统中各部门的所有宏不雅性质 都不随时间而变;(ii) 当系统取完全隔分开后,系统中各 部门的所有宏不雅性质都不起变化。 8 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 稳态 (steady state) 处于恒定的外部前提(如固定的鸿沟前提或浓 度前提等)时,系统内部发生宏不雅变化,则系统处 于非均衡态。颠末必然时间系统达到一种正在宏不雅上不随 时间变化的恒稳形态, 此形态称为非均衡稳态或简称为 稳态(或称定态)。 稳态系统的内部宏不雅过程仍然正在进行 着。 9 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线) 局域均衡假设 正在非均衡稳态前提下,典范热力学的温度、压力、熵函 数、Gibbs函数等的定义无效或消逝了。因而,典范热力学 不合用于生命系统,也不合用。 为了能继续采用典范热 力学的一些函数和关系式,并将其延长到非均衡稳态,为此 ,布鲁塞尔(Brussel)学派的普利高津等人提出了如下的 局域均衡假设: 10 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 A) 将系统分成很多小体积单位(局域),每一个单 元正在宏不雅上脚够小,能够用此中任一点的性质来 代表该单位的性质,但正在微不雅上它仍然包含大量 粒子,能表达宏不雅统计的性质(如温度、压力、 熵等)。 11 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 B) 当某一局域正在 t+dt 时辰达到均衡(留意: 整个系统尚未达到均衡),则该局域的热力 学函数即可代表 t 时辰该局域非均衡态的热 力学函数,整个系统的热力学函数就是各局 域热力学函数的加和。 12 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 C) 以上获得的热力学函数之间仍然满脚典范热力学 关系式。 应出格指出,局域均衡假设只合用于离均衡 态不远的非均衡系统。例如扰动不大、碰撞 传能速度大于某不成逆过程速度。对化学反映则 应合适 Ea / RT>5,对大大都273K~1000K间发 生的化学反映是能满脚这一前提的。 13 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线. 昂萨格(Onsager)倒易关系 (1)热力学力和流 正在研究不成逆过程时,将势函数称为热力学力(简称力) (X),由此惹起的不成逆过程的速度称为流(J)。例如温 度势[-▽(1/T)]惹起热传导,电池电动势E惹起电流I,化学势 的负梯度[-▽(? i/T)]惹起扩散,化学反映亲和势(A/T)不为 零惹起化学反映趋势于化学均衡。热力学力是发生能量流和 物质流的鞭策力,流是热力学广度性质对时间的导数,而力 是强怀抱的差值。常见的热力学力取流的线 示。 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 热力学力取流的线 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线) 昂萨格(Onsager)倒易关系 若系统内部同时存正在两种以上的不成逆过程,无论是 哪一种性质的力取流,正在耦合过程中,流取力的感化具有对易 性质,互订交换而不改变成果。描述各类不成逆过程的流 和力之间的线性唯象关系的唯象系数之间满脚一种对称关系。 能够认为,正在力(X)取流(J)之间存正在着线 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 J = LX (1) L为唯象系数。如有几种不成逆过程能同时发生,且相互影 响,力和流之间的线nXn J2 = L21X1 + L22X2+…+ L2nXn … Jn = Ln1X1 + Ln2X2+…+ LnnXn (2) 昂萨格通过论证提出,正在唯象系数之间存正在如下关系: Lik = Lki (i,k=1,2,3,…,n) 17 从讲人: 朱志昂 (3) ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 这一关系式称为昂萨格倒易关系式。其物理意义是第 i 个 流的 Ji 取第 k 个力 Xk 之间的唯象系数 Lik 和第 k 个流的 Jk取 第 i个力 Xi 之间的唯象系数 Lki 相等。正在 (2)式中有多个唯象系 数,有了昂萨格倒易关系式后,能够将唯象系数的个数削减一 半,简化了求解不成逆过程中物理量的计较。昂萨格倒易关系 是不成逆过程热力学中的一个根基关系,昂萨格因而而获得 1968年诺贝尔化学。 18 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线)孤立系统熵添加道理 对任一封锁系统中发生的任一给定过程,判断它可否发 生,必需同时求出的熵变,然后求总体(相当于孤立体 系)的熵变。孤立系统是不成能实现的,由于线或高能 粒子老是不竭地射到地球上。别的,敞开系统也不克不及轻忽, 例如,对生物体来说,取不竭地互换物质是它们的 需要前提。 19 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线)肆意系统熵发生道理 1945年,比利时人 Prigogine 将熵添加道理推广到 肆意系统(封锁的、敞开的和孤立的),给出了一个遍及 的熵表述式。任一系统正在均衡态有一个形态函数S 简直定 值,它是广度性质。当系统的形态发生变化后,系统的熵 变可分为两部门之和,称为外熵变和内熵变之和。 20 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 熵流(entropy flux) 外熵变是由系统取通过界面进行热互换和物质互换 时进入或流出系统的熵流所惹起的。熵流的概念是把熵当做 一种流体,正如已经把热当做流体(称为“热质”)一样。 把熵和能量成立正在同样根本上,它们两者都有实正在性,或两 者都没有。ag棋牌盘口。但熵和能量又分歧,熵能够发生,却不克不及被覆灭 ;而能量则不生不灭。 21 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 熵发生(entropy production) 内熵变是因为系统内部发生的不成逆过程(例如,热 传导、扩散、化学反映等)所惹起的熵发生。(内功 和外功)只能惹起熵发生,不惹起熵流。 22 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 孤立系统 ΔS孤立≥0。 肆意系统中发生一个细小过程 dS系统=deS+diS ,diS不再取dS相关 (4) 式中deS 代表外熵变,diS 代表内熵变。如许从形式上看 熵发生道理 diS ≥0 “” 不成逆过程 “=” 可逆过程 23 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity (5) 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 “系统的熵发生永不为负值,正在可逆过程中为零,正在不 可逆过程中大于零”,这就是熵发生道理,它是熵添加道理 的推广,合用于肆意系统中的任何过程。 熵的均衡方程式: dS / dt = deS / dt +diS / dt (6) 因为deS / dt 能够是正、负和零,而diS / dt 老是大于零 或等于零,因而可得下列一些结论: 24 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 (a) 绝热封锁系统或孤立系统的熵永不削减,可逆过程中熵不 变,不成逆过程中熵添加,这就是熵添加道理。因而,熵 添加道理仅是熵发生道理中的一个特例。 (b) 系统向外流出熵(或说系统得负熵),若正好抵消系统内 的熵发生,即 -deS / dt = diS / dt,dS / dt =0 此时系统处于稳态。 (c) 若负熵流大于熵发生,即-deS / dt >diS / dt,此时系统 的熵削减,系统将变得有序化,即:系统呈现有序化布局 25 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 对生命过程的注释 一个有生命的生物体是热力学敞开系统。按照熵发生原 理,正在生物体内发生的过程均为不成逆过程,过程的后果是体 内熵添加。体内熵添加意味着有序度下降或无序度(紊乱度, disorder)添加。熵达到最大值,意味机体灭亡。那么若何保 持机体处于高度有序性以维持生命呢?因为正在生物体内发生了 诸如生化反映,物质的扩散和血液流动等不成逆过程,故ΔiS >0。为了连结机体内的熵不变,使机体接近于或处于稳态, 即dS / dt=0,ΔeS 必需小于零,以抵消ΔiS>0。 26 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 ΔeS 包罗如下述的两项 一项由取的热互换惹起,另一项由取的物质交 换惹起。取的热互换Q 的符号能够是正或负,决定于机 体取的温差是正或负。若比机体冷,ΔeS为负值, 温度越低ΔeS越负,所以寒带人寿命比热带人长。 27 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 另一项是取的物质互换,对动物某人来说就是吃 物和排出废料。食物包含着高度有序化的和低熵值的大物 质,例如卵白质和淀粉,而废料是无序的和高熵值的小物 质。因而,机体得以维持生命,连结必然熵值,就靠从吸 入低熵物质,放出高熵物质如许一种物质互换,ΔeS 才能保 持负值,以抵消因为机体内发生不成逆过程所惹起的熵发生 ΔiS。不成逆热力学道理对生物系统的使用有着广漠的前景。 28 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线. 最小熵发生道理 按照热力学第二定律,正在孤立系统中,系统内不 可逆过程是沿着熵添加的标的目的进行的,当系统的熵 达到极大值时,系统处于热力学均衡态,热力学判 据为:dS/dt ≥ 0。 29 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线) 最小熵发生道理 对于敞开的非均衡系统,当处于衡区(离均衡态不 远 ),其变化恪守线性关系时,则它的熵若何变化? 普里高津于1945年提出最小熵发生道理,其数学表达式为 : dP / dt ≤ 0。 (7) 式中:P= diS / dt,称为熵发生率。 “=” 号对应定态环境,“<” 号对应偏离定态环境。 30 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 其物理意义是:线性非均衡系统内不成逆过程的熵发生率 P随时间的进行老是朝着熵发生率减小的标的目的进行,曲到熵产 生率达到极小值,系统达到非均衡的定态,这时熵发生率不再 随时间变化,这就是最小熵发生道理。最小熵发生道理了 非均衡态系统线性区内各点性质不随时间变化的定态是不变的 。 31 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线性非均衡态热力学 按照最小熵发生道理,定态具有最小的熵发生率,任何 正在无限扰动下,系统偏离定态的扰动形态都具有比定态更 大的熵发生率,即:P定态 <P扰动态。同时扰动态的熵发生率 dP / dt<0 了扰动态的熵发生率会随时间的延续不竭减小 ,曲到恢复为该前提下的极小值:P定态 ,系统恢复到定态。 因而,非均衡线性区的定态是不变的。 32 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 二、线) 最小熵发生道理合用的前提 最小熵发生道理只要正在同时满脚下述三个前提下才能合用: (A) 系统的流-力关系处于线性范畴; (B)昂萨格倒易关系成立; (C) 唯象系数是不随时间变化的。 只要正在系统处于均衡 态附近(离均衡态不远)时这些 前提才能满脚。因而最小熵发生道理不是遍及合用的。 33 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线. 非线性非均衡定态不变性的判据 正在均衡态热力学中 孤立系统中熵是判断系统变化标的目的及不变性的 形态函数。熵添加道理告诉我们孤立系统的自觉标的目的 是熵增大的标的目的,即 dS / dt 0,变化的起点是不变 的均衡态。 34 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 当非孤立系统处于非均衡线性区时 最小熵发生道理告诉我们系统的变化标的目的是熵 发生率dP / dt 0 ,衡的定态因为具有最小熵产 生率,所以任何扰动惹起的偏离定态过程都有dP/dt 0 ,这就了取束缚前提相顺应的定态也是稳 定的。 35 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 当非孤立系统处于非均衡非线性区时,超熵发生判据 热力学力取流之间的关系更遍及地线性的,线性只 是近似的。正在远离均衡的环境下(非线性区)能否也存正在取S和P 一样的形态函数做为不变性判据呢? 很长一段时间,人们一曲 力图把最小熵发生道理推广使用于非均衡热力学的非线性区, 可是最初发觉,这种推广是不成能的。当系统远离均衡时,虽 然系统仍可成长到某个不随时间变化的定态,可是这个远离平 衡的定态的熵发生不必然取最小值。 36 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 Prigogin布鲁塞尔学派将相对于参考定态的熵的二级偏离 1 2 ? 2 S 称为超熵,并用来判断参考定态的不变性。将熵S和熵 发生率P正在定态附近展开为泰勒(Taylor)级数,正在满脚局域平 衡的环境下,可获得: 1 2 ? 2S ? S ? S 0 (8) 式中S0是参考定态的熵,S是扰动态的熵。超熵的时间导数称 为超熵发生(或称超熵发生率) ? x P 。 d ( ? S ) / dt ? ? x P 1 2 2 37 从讲人: 朱志昂 (9) ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 如许能够选择超熵发生做为系统定态的不变性判据。 则有: 2 ?xP ? d(1 ? S ) / dt ? 0 2 时,系统不变。 ? x P ? d ( ? S ) / dt ? 0 1 2 2 2 ?xP ? d(1 ? S ) / dt ? 0 2 时,系统不不变。 时,临界形态。 38 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 当 ?x P ? d ( ? 1 2 2 1 2 的值将沉 , 则超熵 S ) / dt ? 0 2? S 新趋于零,这时扰动态将回到参考定态,因而能够说 ,该参考定态是不变的。 2 当 ?x P ? d ( 1 时,则处于临界不变态。 2 ? S ) / dt ? 0 39 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线 当 ?x P ? d ( 1 时,超熵 2 ? S ) / dt ? 0 1 2 ? 2 S 将越来 越负,系统形态将越来越偏离定态,参考定态是不 不变的,即非均衡参考定态失稳。对该参考定态的 一个很小的扰动就可使系统越来越偏离这个定态而 成长到一个新的形态,这个新的形态可能连结阿谁 扰动放大了的时空行为,立即空有序布局―耗散结 构。 40 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 由此可见,正在处于远离均衡的敞开系统中,通 过节制鸿沟前提或其他参量,可使系统失稳并过渡到 取本来定态布局上完全分歧的新的不变态。这种成立 正在不不变之上的新的有序的不变布局,是依托取 互换物质取能量来维持的。普里高津的布鲁塞尔学派 把它叫做耗散布局, 耗散布局的存正在表了然非均衡是 有序之源。 41 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 “超熵发生”不是热力学势函数 该当指出:熵和熵发生都能够称为热力学势函数。有了 这两个势函数,不需要考虑动力学过程的细致行为,系统向什 么标的目的演化就明白了。超熵发生判据取决于动力学过程的细致 行为,“超熵发生”不克不及成为热力学势函数,正在非线性区缺乏 任何热力学势函数,一个远离均衡的系统将成长到哪个极限状 态取决于动力学过程的细致行为,系统向什么标的目的演化就比力 难以确定了。 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 42 会议演讲 三、非线 正在利用超熵发生 d ( 1 做为非线 ? S ) / dt 定态不变性判据时,它的计较必需沿着扰动的具体 径进行,必需操纵暗示变化过程的特定动力学方程。 因而,对非线性非均衡态的研究必需把热力学和动力 学阐发连系起来。此外,目前对布鲁塞尔学派的理论 还存正在一些辩论。 43 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线. 自组织现象 天然界遍及存正在着自组织现象,例如: (1) 良多只正在初始上乱七八糟(无序)的大 雁按必然法则堆积而成一行(有序),这是一种自组 织现象; 44 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线)生物(如人)的发展发育,是从少数细胞起头的,发 展成各类复杂有序的器官,如人的大脑就是由多约一千亿个神 经细胞构成的极细密极有序的安拆;即便细胞,也是一个由数 目惊人的原子构成的极有序布局,它至多含有一个脱氧核糖核 酸(DNA)或其近亲核糖核酸(RNA),每个如许的分 子由约 108 到 1010 原子构成; (3)某一区域勾当的良多蚂蚁,正在必然前提下会不约而同 地向某一堆积。 45 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线) 认为,地球上的生物都是颠末漫长的年代 ,由简单到复杂,由初级到高级或者说由较为有序向愈加 有序成长而成的,如人是由灵长类动物进化而来的。马克 思认为,人类社会也是逐步由初级向高级,向愈加完美更 加有序的阶段成长的。生物学家和社会学家关于成长的这 种概念取二十世纪前物理学家的概念判然不同。 46 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 物理学家认为,系统要么不会发生什么变化,要么 是从有序向无序演化(热力学第二定律)。持久以 来,这两种概念和平共处,互不。物理学家和 生物学家及社会学家都认为,生命以及社会现象和 非生命现象是由分歧的纪律安排的,它们之间隔着 一条不成跨越的鸿沟。 47 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 但现代科学研究表白,正在非生物界,也存正在大量从无 序演变为有序的自组织现象。天空中毫无法则的云,有时 会构成划一的鱼鳞状或带状;水汽正在高空凝结成法则的六 角形雪花;火山岩浆有时会构成很是有法则的环状或带状 布局;太阳系的九颗形成一个动态的很是有序的布局 。正在尝试室中有自拆卸、超系统、一维、二维、 三维纳米材料等。 48 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线 . 耗散布局(dissip ative structures) (1) 耗散布局 普里高津正在非均衡热力学系统的线性区的研究 的根本上又摸索了非均衡热力学系统正在非线 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 正在研究偏离均衡态热力学系统时发觉,当系统离衡态 的参数达到必然阈值时,系统将会呈现“行为临界点”,正在越 过这种临界点后系统将分开本来的热力学无序分支,发生突变 而进入到一个全新的不变有序形态。若将系统推向离均衡态更 远的处所,系统可能演化出新的不变有序布局。普里高津将这 类不变的有序布局称做“耗散布局”。并正在1969年提出了关 于远离均衡形态的非均衡热力学系统的耗散布局理论。 50 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 A. 贝纳特对流尝试 耗散布局典型的例子是贝纳特于1900年发觉的对流 有序现象一贝纳特流。正在一扁平容器内充有一薄层液体 ,液层的宽度弘远于其厚度,从液层底部平均加热,液 层顶部温度亦平均,底部取顶部存正在温度差。当温度差 较小时,热量以传导体例通过液层,液层中不会发生任 何布局。 51 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 但当温度差达到某一特定值 时,液层中从动呈现很多六 角形小格子,液体从每个格 子的核心涌起、从边缘下沉 ,构成法则的对流。从上往 下能够看到贝纳特流构成的 蜂窝状贝纳特斑纹图案。这 种不变的有序布局称为耗散 布局。 52 从讲人: 朱志昂 蜂窝状贝纳特斑纹图案 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 B.化学振荡反映 雷同的有序布局还呈现正在流体力学、化学反映(例如 化学振荡反映)以及激光等非线性现象中。例如B—Z化学 振荡反映。下图是此反映正在一充实搅拌的间歇釜式反映 lg cBr ? 器中进行时,尝试察看到的 时间的振荡曲线。 和 lg(c Ce4? / cCe3? ) 随 53 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 当正在反映系统中插手氧化还原剂邻菲咯啉时,这种振 荡可以或许显示红色(Ce3+)和蓝色(Ce4+)的周期性变化。若是 该反映只是正在试管中进行,那么颜色的变化正在持续一段时 间(大约几分钟)后就会遏制。若是将反映放置正在特制的 反映器中进行,不竭注入反映物、移出产品,可使颜色的 变化维持下去构成“化学钟”。 55 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线) 成立耗散布局的前提 耗散布局理论指出,系统从无序形态过渡到这种耗散 布局有几个需要前提: A. 发生耗散布局的体系统包含有大量的系统基元以至少条理 的组分。贝纳特效应中的液体包含大量。贝洛索夫— —恰鲍廷斯基化学振荡反映,此中不只含有大量原子 和离子,而且有很多化学成分。 B. 系统必需是的,即系统必需取进行物质、能量的 互换。 56 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 C. 系统须是远离均衡形态的,系统中物质、能量流和热力学 力的关系线性的; D. 正在发生耗散布局的系统中,基元间以及分歧的组分和条理 间凡是存正在着错综复杂的彼此感化,此中尤为主要的是正 反馈机制和非线性感化。正反馈能够看做复制放 大的机制,是“序”发生的主要要素,而非线性能够使体 系正在热力学分支失稳的根本上从头不变到耗散布局分支上 ,而且需要不竭输入能量来维持。 57 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线) 耗散布局理论的使用 正在均衡态和衡态,涨落是一种不变有序的干扰, 但正在远离均衡态前提下,非线性感化使涨落放大而达到有序。 远离均衡态的系统通过涨落,正在越过临界点后“自组织” 成耗散布局,耗散布局由突变而出现,其形态是不变的。耗散 布局理论指出,系统正在远离均衡形态的环境下能够出现出 新的布局。 58 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 按照耗散布局理论,化学振荡现象底子不违反热力学第二 定律。自此当前,化学振荡现象以及其他非均衡非线性化学现 象的研究取得了飞速的成长。和化学振荡现象相雷同,生命现 象曾持久被认为是不克不及用热力学第二定律注释的为生命体所特 有的现象。从 19 世纪中叶起头,科学上就有所谓的和 克劳修斯的矛盾—进化和退化的矛盾。 耗散布局至多从准绳 上处理了这一矛盾。 59 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 地球上的生命体都是远离均衡形态的非均衡的系 统,它们通过取不竭地进行物质和能量互换,经自组 织而构成一系列的有序布局。能够认为这就是注释生命过 程的热力学现象和生物的进化的热力学理论根本之一。由 于普里高津正在非均衡热力学,特别是正在他的耗散布局理论 方面的成绩,他被授予 1977 年诺贝尔化学。 60 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 耗散布局理论除了正在化学、物理学、生物学以及其他天然 科学中都有主要的使用外,以至对社会科学的成长发生了严沉 的影响。耗散布局理论极大地丰硕了哲学思惟,正在可逆取不成 逆,对称取非对称,均衡取非均衡,有序取无序、不变取不稳 定,简单取复杂,局部取全体,决和非决等诸多哲学 范围都有其奇特的贡献。 61 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 从广义讲,人类社会也是远离均衡的系统。因而, 像都会的构成成长, 城镇交通,帆海打鱼,教育经济问题等 社会经济问题也可做为耗散布局理论使用的范畴。美国出名 将来学家 A· 托夫勒(Toffler)正在他的《第三次海潮》一书中 指出,耗散布局理论 “间接冲击了第二次海潮的假设,是第 三次海潮惹起的 ‘思惟范畴的大变更’ 的主要标记之一”。 他以至认为,耗散布局理论可能代表了下一次科学。 62 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线) 耗散布局理论的不脚之处 该当指出,普里高津的耗散布局论有不脚之处。普里高 津曾经了远离热力学均衡态的系统的不成逆进化动力学, 处正在这种“第三种形态”(远离而不是处于或接衡)的体 系以如下的体例运做:当涨落导致失稳时,它们并不达到均衡 ,而是可能从头组合它们的内部力以接收、改变和储存更多的 它们中所具有的能。成果,它们没有衰亡,而可能又 振做起来达到演化的更高区域和复杂形态。 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 63 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 然而进一步伐查后我们发觉,当远离均衡态的系统进化 轨线分叉时,该系统将发生什么,这要仰仗随机性的选 择。普里高津不克不及注释紧随分叉后系统对新动态形式的 “选择”,就好像斯塔普不克不及注释当粒子取的其余 部门彼此感化时粒子对决的形态的“选择”一样。 64 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 正在普里高津的非均衡中,取海森堡量子一样, 进化仍被纯粹的随机性所打断。普里高津和他的学派指出偏离 均衡是有序的最终源泉,并但愿非均衡热力学方程能注释察看 到的进化过程,然而这些期望至今还未获得满脚。 没有从统计学上注释正在变化的可能成果中为什么系统趋势 于有序和复杂性。 65 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity 会议演讲 三、非线性非均衡热力学 耗散布局理论自提出以来,一曲正在理论和现实应 用两个方面同时拓展。可是并非一切远离均衡的复杂 性系统的行为都能够归纳为耗散布局。所以,做 为更高条理研究复杂系统的系统科学的一个分支理论 ,面临纷繁复杂的现实世界, 其将来充满挑和,也 面临机遇,可谓任沉道远。 66 从讲人: 朱志昂 ◎Nankai Unversity

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