第4章热力学第二定律2(熵概念推广耗散结构)).ppt

* 4.4 熵概念的推广 一. 熵与能量 二. 熵与时间 三. 熵与生命 四. 熵与信息 五. 熵与社会 一.熵与能量 热?律： 能量守恒 热??律： 能量转化能力 有序 无序 能力强 能力弱 有序到无序能量转化过程不可逆 一部分能量不能再作功 --能量退化 对热力学第二定律深入认识 A)能量退化角度认识 孤立系统内发生的自发过程 必然导致能量的退化 B)熵的角度认识 孤立系统 … 导致熵的增加 熵是能量不可用程度的量度 能量危机 就是熵的危机 二 . 熵与时间 1. 时间反演的对称性 物理学中很多领域 时间本质上都在描述可逆过程 从现在可知过去 也可知道未来 2.自然界存在的基本不对称性 热现象不具有时间反演对称性 数学家 史蒂芬指出： 至少存在三个时间箭头 将过去和将来分开 三个箭头所指方向一致 热力学箭头 无序度增加的时间方向 只能记住过去 心理学箭头 宇宙膨胀 宇宙学箭头 三. 熵与生命 热??律：孤立系统 无序度增加 熵增加 但生物进化过程：成长过程有序度增加 熵产生 内部(恒为正) 熵流 外界(可正 可负 可零) 开放系统： 有序度增加 从一种 有序到更高级的有序 成熟阶段 维持一种有序 有序度下降 生物系统在短期内或 局部熵积累过多 病态 称负熵流 生长阶段 衰亡阶段 从物理学的角度看 治疗的目的在于消除积熵 薛定谔说：生命赖负熵以存在 玻耳兹曼说：生物为了生存而作的一般斗争 既不是为了物质 也不是为了能量 而是为了熵而斗争 生物从外界吸收负熵 是以更大范围的熵增为代价的 四. 熵与信息 香农：信息是事物肯定程度的量度 熵增等于信息的减少 信息与负熵等效 信息熵 对某种事物作出完全判断所缺的信息量 信息的获得意味着各种可能性中概率分布的集中 五. 熵与社会 可持续发展 环保 4.5 耗散结构 一. 问题的提出 二. 自组织现象 三. 孤立系统 开放系统 四. 热力学过程 五. 涨落导致有序 六. 高级分支和混沌状态 一. 问题的提出　　退化与进化 1.按克劳修斯热力学理论 初态　　→　　末态　 有序　　→　　无序 非平衡　　→　　平衡 退化 孤立系统朝均匀 简单 消除差异的方向发展 熵增加 能量退化 2. 按达尔文进化论 生物由单细胞 人 进化 (极为有序) 越来越复杂 越来越有序 (熵减少) (蜂窝 毛皮花纹) 二. 自组织现象 1.自组织现象 在一定外界条件下 系统内部 自发地由无序 ? 有序的现象 无生命和有生命世界 都有自组织现象(变为有序) 空间有序 时间有序 (候鸟迁徙) 2. 耗散结构-----自组织形成的有序结构 自组织现象是自发进行的 但 ? 需外界提供触发条件 ? 耗散外界的能量 质量 三. 孤立系统 开放系统 　 热力学第二律的普遍形式 1. 孤立系统 自发过程： 有序 ? 无序 内部不可逆过程引起的熵变----- 熵产生 di S 由熵增加原理 外界 孤立系统 di S (和外界无能量和物质的交换) 2. 开放系统 (和外界有能量和物质的交换) ? 熵变 di S (系统熵产生) de S (与外界交换能量和物质引起的熵变 ) 　 ----熵流 ? de S 可 0 (负熵流) = 0 0 (正熵流) 外界 系统 di S de S 实现自组织现象系统必须开放 开放系统总熵变： (1)若 deS 0 (负熵流) 且| deS| di S(?0 ) 则 dS = di S + deS 0 负熵流可使开放系统熵减少 变得更有序 实现自组织 (2)若 deS 0 (正熵流) 则 dS = di S + deS 0 系统更混乱 若为正熵流 则系统不会实现自组织 ∴ 3.热二律的普遍形式 开放系统 经历任何过程 系统的熵变永不小于熵流 要求 0 开放系统自外界吸取能量 即输入负熵 ? 对孤立系统 deS = 0 ? 开放系统的熵可增 可减 dS = di S ? 0 (回到原来的热力学第二定律) 普里高津(I.Prigoging 比利时) 1967年 提出耗散结构 1977年 获 Nobel Prize (化学) 4.生命过程 耗散结构打开从 物理科学 ? 生命科学 的窗口 生命过程---耗散过程 要活着---身体保持低熵状态 热平衡----死亡 薛