非平衡态热力学简介.ppt

第十二节 非平衡态热力学 一、开放系统的定态 再见！ 普里高京 －－耗散结构 Entropy flux Entropy-production 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？ 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 ?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 孤立系统： 任意敞开系统： 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 （1）孤立系统： 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： Entropy flux Entropy-production 二、熵流、熵产生和耗散结构 (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。 当 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 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 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