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大学物理多媒体课件5耗散结构
* 神经细胞 ?*耗散结构简介 (Dissipative structure) 一. 退化与进化 二.自组织现象和耗散结构 三.开放系统的热力学第二律 四.远离平衡态的分叉现象 五.涨落导致有序 六.高级分支和混沌状态 “耗散结构”参考书 目 录 有力武器。 耗散结构理论由普利高津(I. Prigoging) 他1977年获诺贝尔化学奖。 该理论中的许多概念, 如开放系统﹑ 负熵流﹑ 突变等, 一. 退化与进化 热力学: 孤立系 ── 能量退化 生物学: 开放系 ── 物种进化 有序 无序 退化(克劳修斯) 进化(达尔文) 时间箭头 于1967年创立, 已成为研究自然现象和社会问题的 二.自组织现象和耗散结构 自组织现象: 自发地由无序变为有序的现象。 在一定外界条件下,系统内部 这种演化过程叫自组织过程。 1.自组织现象中的空间有序结构 ▲ 无生命界: ? 六角形的雪花; ? 鱼鳞状的云; ?贝纳德(Benard)对流 液体静止,热传导 液体对流传热 T1=T2 T2 大导热板 距离很小 平衡态 稳定的非平衡态 Q T2 T1T2 , △T △TC 液体静止 T1 T2 , T2 △T △TC 出现宏观有序 对称 对称 对称破缺 蜂窝模式 俯视图 使能量得到更有效的传递。 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, ?蛋白质大分子链由几十种类型的成千万个氨基酸分子按一定的规律排列而成。 ▲ 生物界 大脑是150亿个神经细胞有规律排列组成的极 而地球年龄才几十亿年! 而且每一种排列有相等的概率, 特定的排列。 假定这种排列是随机形成的, 也要经过10109亿年才能出现一次 行100次排列, 那么即使每秒进 精密极有序的系统。 所以,大脑神经细胞的这种有组织的排列决 不是随机形成的。 ?树叶有规则的形状; ?龟背的图案; ?? 2.自组织现象中的时间有序结构 ▲ 无生命界: ?B - Z反应 苏,1958 贝鲁索夫(Belousov) 扎玻庭斯基(Zhabotinski) 溴酸氧化反应: 柠檬酸+丙二酸,铈(Ce)离子催化。 反应物浓度 说明离子浓度出现了时间有序结构。 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。 自组织现象是与热力学第二定律的 从有序 无序的时间箭头不一致的! ▲ 生物界 ? 中华鲟回游,侯鸟迁移,… 有生命界和无生命界都有共同规律可循。 三. 开放系统的热力学第二律 孤立系统进行自发过程 S ?。 这种由于系统内部经历的不可逆过程而引 用di S 表示。 孤立系统 开放系统则可能 dS 0 : 必有 dS 0 。 由克劳修斯等式和不等式有 对可逆过程有 当 时, 起的熵变称为熵产生, 对不可逆过程有 所以,要实现自组织,系统必须开放。 当dQ 0, 物质交换引起的熵变, 对开放系统, 称为熵流,用de S 表示。 开放系统总熵变 — 负熵流, — 正熵流 除di S外,还有与外界能量或 若负熵流足够强,以至 时, 且足够“负”时,仍可能 dS 0。 有 ∴ 开放系统可能因负熵流足够强而实现自组织。 例如贝纳德实验中,流体是个开放系统, 因为 T1 T2 , 即流出的熵大于流进的熵 。 若流进流出的热量记作dQ, 流进的熵 — 流出的熵 — 所以 则 随着热量的流进流出,系统的熵在变化。 系统的熵就减少,系统就从无序?有序。 人体是一个开放系统,吃饭、喝水就是为了 若净流出的熵超过了系统内部的“熵产生”, 产生“负熵流”。 若为正熵流,则系统不会实现自组织。 考虑到总有 dSi 0, ∴ 即系统经历任何一个过程后,其熵变永远不 — 热力学第二定律的普遍形式。 会小于熵流 四.远离平衡态的分叉现象 平衡态热力学主要研究平衡态的性质。 1.平衡态热力学(经典热力学) 例如,贝纳德实验中 ?T = 0 的情形。 2. 线性非平衡态热力学(近平衡态热力学) 偏离平衡态很小的系统称为近平衡系统。 近平衡系统 二者呈简单的线性关系 例如,贝纳德实验中,?T ? 0 但较小的情形。 普里高津指出:近平衡系统 取最小值, 这称为最小熵产生原理。 这说明近平衡态是稳定的。 (宏观性质不随时间改变) 非平衡的定态 近平衡系统 一定的外 界条件下 而不可能出现自组织现象。 对于近平衡系统, 只要外界作用不变, 即使系统内有涨落,仍会 回到原非平衡定态, 3.非线性非平衡态热力学(远离平衡态热力学) 已不是简单的线性关系, 例如,贝纳德实验中 时的情形。 下面用
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