耗散结构简介

1一.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2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3二.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；4贝纳德（Benard）对流液体静止，热传导液体对流传热T1=T2T2大导热板距离很小平衡态稳定的非平衡态QT2T1T2，△T△TC液体静止T1T2，T2△T△TC出现宏观有序对称对称对称破缺蜂窝模式俯视图5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。6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；72.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。8）（周期交替蓝色红色或周期交替）（无色黄色颜色生成物态比例远离平衡序生成物均匀、对称、无态比例接近平衡ZB反应物浓度说明离子浓度出现了时间有序结构。9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。10三.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diS表示。孤立系统，0dSi开放系统则可能dS0：必有dS0。由克劳修斯等式和不等式有TQSdd对可逆过程有TQSdd当时，0dQ起的熵变称为熵产生，11对不可逆过程有，ddTQS所以，要实现自组织，系统必须开放。当dQ0，物质交换引起的熵变，对开放系统，称为熵流，用deS表示。开放系统总熵变SSSeiddd0dSe—负熵流，0dSe—正熵流除diS外，还有与外界能量或若负熵流足够强，以至时，SSied|d|且足够“负”时，仍可能dS0。120dddSSSei有S∴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T1T2，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—1dTQ流出的熵—2dTQ所以21ddTQTQ则随着热量的流进流出，系统的熵在变化。13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dSi0，SSedd∴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14四.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系统不可逆响应小外界作用小二者呈简单的线性关系15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，tSidd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，163.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。CTT下面用图线来表示以上的三种情况：外界的影响强烈，它引起系统状态的变化有它自己特有的规律。这时,就有可能出现自组织现象。17X控制参量表征定态的某个参量分叉现象不稳定的热力学分支(b)(C)稳定的耗散结构分支稳定的耗散结构分支(C)远离平衡的非线性区（对应某种时空有序状态）（稳定的非平衡态）偏离平衡的线性区CC(a)稳定的热力学分支平衡态0X018非平衡的不稳定态在一个细小的扰动下，这称为分叉现象。线沿着另外两个稳定的分叉（c）或（c）发展，就可以引起系统状态的突变，使状态离开（b）19五.涨落导致有序分叉现象表明，系统在临界点附近的微小这叫突变现象。自组织总是通过某种突变过程来实现。C的存在是伴随耗散结构现象的特征。系统处在不同状态，涨落的作用可以很不同：变化（涨落）可以从根本上改变系统的性质，（耗散结构）C点附近涨落微观客体协同动作非线性因素宏观有序状态20不是任何涨落都能得到放大，耗散结构形成的条件：只有适应系统动(c)涨落(a)开放系统(d)正反馈(b)远离平衡态(e)非线性抑制因素素力学性质的那些涨落，才能得到系统中绝大多数微观客体的响应，从而波及整个系统，统推向新的有序结构——耗散结构。将系21例如，假设某时刻在某个平衡态有如图所示的涨落（涨落总是存在的）：为简单起见，假设右图是一个复杂的波形。可以认为它是由许多不同频率的正弦波按一定比例叠加而成。每一正弦分量称为一种涨落分量。(傅立叶分析)22涨落可以使系统的状态发生突变。到了宏观尺度，就使系统进入某种有序状态。快衰减掉,有的涨落分量却得到放大。当放大重要的不是起补偿作用，与平衡态或近平衡态不同,在远离平衡态的区域，随着外界控制条件的变化，有的涨落分量很某种医学理论认为病人服用或注射某些药物，而是造成一种涨落。23人转化，例如，人体中有不少ATP（三磷酸腺苷），但是冠心病人每次只要注射20mgATP就有明显疗效。它是通过引起某种涨落使病人向健康从而建立一种新的有序状态。24六.高级分支和混沌状态混沌状态X∞a1b1b2c1c2d1d2通过倍周期分叉走向混沌25最终走向湍流(混沌)。高级分支现象说明在远离平衡态时系统可以次分支中产生的自组织本领，高级分支会积累起各能变得丰富和完备起来，现出复杂的时空行为。生命的进化和整个世界的发展也可以用高级分从而使系统的功如贝纳德实验中，当T很大，且继续加大时，会出现多种花纹的更替，有多种可能的有序结构。支行为来说明。26当系统偏离平衡态足够远时，系统可能具有瞬时状态的不确定性很大，这种无序态不同于热力学中平衡的无序状态。无序的时空尺度是宏观量级的，由于涨落是无法控制和偶然的，所以此时系统进入了一种无序态。混沌（chaos）状态。这种状态称为的耗散结构也非常多。27耗散结构理论在近年来有了很大的发展,美国有人研究东西部人口的空间分布规律；在实践中已经运用。而且荷兰有人研究能源的最低消耗方案加拿大有人研究捕鱼的最佳方案；28定量的研究要提出物理模型，如果我们能弄清自组织现象的规律,那么我们这个世界将会更加美好!朝着我们所希望的耗散结构的方向发展,使事物(有生命,无生命，制一些参数,自觉控社会)自然界,然后再解相应的微分方程组。建立数学模型，29《大学物理学》（第二册）张三慧主编《耗散结构论》沈小峰、冯端《非平衡系统的自组织》普里高津《非平衡热力学和耗散结构》李如生《物理学导论》上册，陈宏贲，周浩祥《新概念物理教程》热学赵凯华，罗蔚茵“耗散结构”参考书—完—