1、耗散結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介1自組織現(xiàn)象熱力學(xué)第二定律說(shuō)明了孤立系統(tǒng)中進(jìn)行的自然過(guò)程有方向性：有序一無(wú)序退化,克勞修斯提出自然界實(shí)際上也存在許多相反的過(guò)程：無(wú)序T有序進(jìn)化,達(dá)爾文提出一個(gè)系統(tǒng)由無(wú)序變?yōu)橛行虻淖匀滑F(xiàn)象稱為自組織現(xiàn)象.例1：生命過(guò)程中的自組織現(xiàn)象1蛋白質(zhì)大分子鏈由兒十種類型的成千上萬(wàn)個(gè)氨基酸分子按一定的規(guī)律排列起來(lái)組成.大腦是150億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞有規(guī)律排列組成的極精密極有序的系統(tǒng),是一切計(jì)算機(jī)所替代不了的.如看一張相片,分辨男？女？大約年齡？對(duì)帶有輸入“器官眼睛的大腦是很簡(jiǎn)單的事情,對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)就非常復(fù)雜了.假定蛋白質(zhì)是隨機(jī)形成的,而且每一種排列有相等的概率,那么即使每秒進(jìn)行100次排列,也要經(jīng)過(guò)1

2、O109億年才能出現(xiàn)一次特殊的排列.這種有組織的排列決不是隨機(jī)形成的2樹(shù)葉有規(guī)那么的形狀；動(dòng)物毛皮有花紋,蜜蜂窩；龜背空間有序3留鳥(niǎo)的遷移；中華鮑的徊游時(shí)間有序例2、無(wú)生命世界的自組織現(xiàn)象1六角形的雪花；2魚(yú)鱗狀的云；圖1美妙的雪花3激光4貝納特現(xiàn)象Benard當(dāng)丁二72-八=0時(shí)平衡態(tài)當(dāng)了但不太大時(shí),穩(wěn)定的非平衡態(tài)單純熱傳導(dǎo)當(dāng)丁八時(shí),出現(xiàn)有序的宏觀對(duì)流.千千萬(wàn)萬(wàn)的分子被組織起來(lái),參加一定方式的宏觀定向運(yùn)動(dòng),能量得以更有效的傳遞.自組織現(xiàn)象是與熱力學(xué)笫二定律的有序T無(wú)序時(shí)間箭頭相矛盾的！要將它們用物理學(xué)規(guī)律統(tǒng)一起來(lái),必須抓住孤立系統(tǒng)與開(kāi)放系統(tǒng)的區(qū)別.t2Ti>T2Ti（a） <AT

3、<Tc單純熱傳導(dǎo)同劇.畫(huà)畫(huà)h（b） AT>Tc有序?qū)α饕回惣{特現(xiàn)象2、開(kāi)放系統(tǒng)的嫡變熱力學(xué)第二定律：孤立系統(tǒng)中發(fā)生的過(guò)程AS>0：但對(duì)一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng),增有可能減少！開(kāi)放系統(tǒng)：與外界有能量交換通過(guò)作功、傳熱或物質(zhì)交換的系統(tǒng).2、1理論上的可逆過(guò)程狀態(tài)1到狀態(tài)2燧的增量匐=1：半可逆對(duì)孤立系統(tǒng)：因絕熱AS=,熠不變對(duì)開(kāi)放系統(tǒng)：假設(shè)單調(diào)吸熱d0>O,A5>0燃增加；假設(shè)單調(diào)放熱dg<0,AS<0燧減少.2、2對(duì)實(shí)際的不可逆過(guò)程上式不能用！利用卡諾定理可以證實(shí)絲>絲或產(chǎn)絲JiTJTJT可逆不可逆不可逆證實(shí)：1考慮工作在不、Ti兩個(gè)熱源間的不可逆熱機(jī),它的效

4、率小于可逆熱機(jī)即卡諾熱機(jī)的效率：不可逆<可逆侏可逆=1一|兇/儲(chǔ)=1+.2/烏&<0可逆=-T2!Tx.l+Q/Qvl刀對(duì)即：儲(chǔ)/4+0/<.所以該不可逆熱機(jī)的熱溫比之和小于零.2再考慮任意的不可逆循環(huán),將它與無(wú)數(shù)個(gè)熱源交換熱量,可以得到:$吆<0克勞修斯不等式不可逆3最后考慮如圖3所示的不可逆循環(huán)過(guò)程：布絲=產(chǎn)也+產(chǎn)絲=產(chǎn)也產(chǎn)絲<0JTJT人21J7JT不可逆可逆不可逆可逆不可逆于是得證.對(duì)孤立系統(tǒng)：假設(shè)絕熱dg=O,AS>0增增加對(duì)開(kāi)放系統(tǒng)：假設(shè)吸熱dg>0,AS>正數(shù)燧增加假設(shè)放熱dg<0,AS>負(fù)數(shù)三種可能：AS為正端

5、增加；為零燃不變；為負(fù)增減少所以,對(duì)于開(kāi)放系統(tǒng)不管可逆或不可逆燧是可以減少的.通常引入“負(fù)熠流的概念：一個(gè)系統(tǒng)燧的變化：由系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)程引起的&SNO與系統(tǒng)外部交換物質(zhì)或能量引起的de5>0稱為“熠流可正可負(fù)整個(gè)系統(tǒng)的瘠變即為dS=d£+&S假設(shè)deSvO負(fù)嫡流,而且IdcSI>diS,那么dS<0系統(tǒng)燧減少那么系統(tǒng)變得更有序,所以系統(tǒng)變得更有序是依靠開(kāi)放系統(tǒng)的負(fù)燧流！例如,貝納特實(shí)驗(yàn)中流體系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng).隨著熱量的流進(jìn)流出,系統(tǒng)的燧在變化.假設(shè)流進(jìn)流出的熱量相等,記作idei流進(jìn)的燧為Idgl/Ti,流出的端IdgI/r2o由于T>T1,A

6、IdgI/Fi<IdgI/r2即流出的燧大于流進(jìn)的燧.假設(shè)凈流出的端超過(guò)了系統(tǒng)內(nèi)部的增產(chǎn)生,系統(tǒng)的端就減少,系統(tǒng)就從無(wú)序一有序.人體是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng),吃飯是為了產(chǎn)生“負(fù)燧流.3、遠(yuǎn)離平衡態(tài)的分叉現(xiàn)象三種熱力學(xué)：平衡態(tài)熱力學(xué)經(jīng)典熱力學(xué)主要研究平衡態(tài)的性質(zhì),例如貝納特實(shí)驗(yàn)中7二的情形線性非平衡態(tài)熱力學(xué)近平衡態(tài)熱力學(xué)外界的影響較小,外界的作用與系統(tǒng)狀態(tài)的變化可以看成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系.例如貝納特實(shí)驗(yàn)中,7>但較小的情形.還不可能發(fā)生自組織的現(xiàn)象.非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)遠(yuǎn)離平衡態(tài)熱力學(xué)外界的影響強(qiáng)烈,它引起系統(tǒng)狀態(tài)的變化已不能看成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,有其特有的規(guī)律.例如貝納特實(shí)驗(yàn)中/'>

7、£時(shí)的情形.這時(shí),就有可能出現(xiàn)自組織現(xiàn)象.圖4表示上述情況,其中尢為外界對(duì)系統(tǒng)的限制參數(shù),對(duì)貝納特實(shí)驗(yàn)AT=02>4->AT>TcX定態(tài)0以穩(wěn)定的耗觸結(jié)構(gòu)分支If遠(yuǎn)閾平衡的不稼定態(tài)IX.?*高.非平衡的穩(wěn)定岑穩(wěn)定的耗觸結(jié)構(gòu)分支i0外界對(duì)系統(tǒng)的限制參數(shù)件I4三種熱力學(xué)遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)出現(xiàn)分義現(xiàn)象.分義現(xiàn)象：非平衡的不穩(wěn)定態(tài)在一個(gè)細(xì)小的擾動(dòng)下,就可以引起系統(tǒng)狀態(tài)的突變,狀態(tài)離開(kāi)b線沿著另外兩個(gè)穩(wěn)定的分義c,或1開(kāi)展,這稱為分義現(xiàn)象.分級(jí)分義：當(dāng)限制參數(shù)進(jìn)一步增大時(shí),各穩(wěn)定的分支乂會(huì)變得不穩(wěn)定,從而出現(xiàn)二級(jí)分義或更高級(jí)分義.如圖5所示.混沌現(xiàn)象：對(duì)于一個(gè)較大的入,由于存在非常

8、多種可能的耗散結(jié)構(gòu),系統(tǒng)究竟處于哪一種耗散結(jié)構(gòu)完全無(wú)法預(yù)知,這稱為混沌現(xiàn)象圖5.由于每一次分義都會(huì)賦予系統(tǒng)一定的性質(zhì)和功能,最后系統(tǒng)就有了較復(fù)雜的性質(zhì)和功能生物的進(jìn)化樹(shù)！在貝納特實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)丁很大而且繼續(xù)加大時(shí);將會(huì)出現(xiàn)多種花紋的更替,最終走向混沌和湍流.4、耗散結(jié)構(gòu)分義C或cO上,每一個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著某種時(shí)空有序的概念.開(kāi)放系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)稱為耗散.對(duì)稱性的破缺：在分義點(diǎn)以前,系統(tǒng)是平衡態(tài)或近平衡態(tài),在時(shí)間、空間上比擬均勻?qū)ΨQ；在分義點(diǎn)以后,系統(tǒng)處于耗散結(jié)構(gòu)狀態(tài),破壞了原的對(duì)稱性,這稱為對(duì)稱性的破缺.產(chǎn)生某種對(duì)稱性破缺的直接原因是漲落.1969年,比利時(shí)科學(xué)家普里高津Prigogi

9、ne提出耗散結(jié)構(gòu)論,1977年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).5、通過(guò)漲落到達(dá)有序形成一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)必須有以下五個(gè)條件:(1)開(kāi)放系統(tǒng)(2)遠(yuǎn)離平衡態(tài)(3)漲落突變(4)正反應(yīng)非線性抑制因素假設(shè)某個(gè)平衡態(tài)某時(shí)刻有如圖6所示的漲落漲落點(diǎn)是存在的,為簡(jiǎn)單起見(jiàn)假設(shè)它是一個(gè)復(fù)雜的波形圖6上圖.圖6漲落可以認(rèn)為它由許多不同頻率的正弦波按一定比例疊加而成.付立葉分析.每一正弦分量稱為一種漲落分量.在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的區(qū)域,漲落可以使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生突變.隨著外界限制條件的變化,有的漲落分量很快衰減掉,有的漲落分量卻得到放大,放大到了宏觀尺度,就使系統(tǒng)進(jìn)入某種有序狀態(tài).某種醫(yī)學(xué)理論認(rèn)為,病人效勞或注射某些藥物,重要的不是起補(bǔ)償作用,

10、而是造成一種漲落.人體中有不少ATP三磷酸腺甘,但是冠心病人每次只要注射20mgATP就有明顯療效.它是引起某種漲落,通過(guò)漲落使病人向健康人轉(zhuǎn)化,建立一種新的有序狀態(tài).白蟻建窩是自組織現(xiàn)象,有的筑得很大,且有立柱,有拱券.建筑過(guò)程中,有漲落,也有正反應(yīng),也有非線性抑制因素.激光器出激光,要輸入足夠功率開(kāi)放系統(tǒng)才能造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)遠(yuǎn)離平衡態(tài).當(dāng)能量hv=Ei的一個(gè)光子入射時(shí)漲落引起受激輻射光放大,出來(lái)兩個(gè)全同光子.不是所有漲落都能得到足夠放大,只有沿軸線方向的光子才行.1-2T4-8正反應(yīng)但激光的強(qiáng)度不會(huì)無(wú)限增大下去,在光強(qiáng)增大,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的程度會(huì)減弱它相應(yīng)地使受激輻射的光強(qiáng)減小非線性抑制因素.鼓勵(lì)能源1圖8激光器反飲機(jī)制、抑制因素一個(gè)城市的形成與開(kāi)展也是符合以上五個(gè)條件略.6、結(jié)束語(yǔ)耗散結(jié)構(gòu)理論近年來(lái)有很大的開(kāi)展,而且在實(shí)踐中已經(jīng)應(yīng)用.美國(guó)有人研究東西部人口的空間分布規(guī)律；加拿大有