课外阅读—耗散结构理论简介

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材料科学与化学工程学院耗散结构理论简介

昂萨格因为在线性不可逆过程热力学理论的贡献获得1968年的诺贝尔化学奖，在此基础上，1968年由比利时物理学家普利高津 (I· Prigogine)提出来耗散结构理论，并获得了1977年Nobel化学奖，被称作自然科学的第三次革命(前两次为牛顿和爱因斯坦)。耗散结构是与平衡结构相对的，是指远离平衡现象的规律。主要观点如下：

1、开放系统是产生耗散结构的必要前提，同时也是耗散结构得以维持和存在的基础。 2、非平衡态是系统有序之源。 3、系统的涨落导致系统走向有序。所谓涨落，是指系统的某个变量或某种行为对平均值的偏离。

2014-1-13

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热与功转换的不可逆性热是分子混乱运动的一种表现，而功是分子有序运动的结果。功转变成热是从规则运动转化为不规则运动，混乱度增加，是自发的过程；而要将无序运动的热转化为有序运动的功就不可能自动发生热力学第二定律指出，凡是自发的过程都是不可逆的，而一切不可逆过程都可以归结为热转换为

功的不可逆性。2014-1-13

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一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行，而熵函数可以作为体系混乱度的一种量度，这就是热力学第二定律所阐明的不可逆过程的本质。问题1: 既然熵是体系混乱度的量度,那么将宇宙作为一个孤立体系,就要寻找宇宙的起源,设想宇宙的起源是由一个密度很大,温度极高的,有序化程度最高的点构成,然后经历了由热向冷的变化过程,这就是大爆炸理论(big bang)的出现.

2014-1-13

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大爆炸理论大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说，也称为大爆炸宇宙论。大爆炸理论诞生于20世纪20年代，在40年代得到补充和发展，但一直寂寂无闻。直到50年代，人们才开始广泛注意这个理论 .该理论在科学界目前还有很大争议.

2014-1-13

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大爆炸理论大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发.

2014-1-13

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证

据

a)红位移从地球的任何方向看去，遥远的星系都在离开我们

而去，故可以推出宇宙在膨胀，且离我们越远的星系，远离的速度越快。 b)哈勃定律哈勃定律就是一个关于星系之间相互远离速度和距离的确定的关系式。仍然是说明宇宙的运动和膨胀。 V=H×D 其中，V(Km/sec)是远离速度；H(Km/sec/Mpc)是哈勃常数，为50;D(Mpc)是星系距离。1Mpc=3.26百万光年。

2014-1-13

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c)氢与氦的丰存度

由模型预测出氢占25%,氦占75%,已经由试验证实。 d)微量元素的丰存度

对这些微量元素，在模型中所推测的丰存度与实测的相同。e)3K的宇宙背景辐射根据大爆炸学说，宇宙因膨胀而冷却，现今的宇宙中仍然应该存在当时产生的辐射余烬，1965年，3K的背景辐射被测得。

2014-1-13

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f)背景辐射的微量不均匀证明宇宙最初的状态并不均匀，所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生。 g)宇宙大爆炸理论的新证据在2000年12月份的英国《自然》杂志上，科学家们称他们又发现了新的证据，可以用来证实宇宙大爆炸理论。

虽然已有上述证据存在，但是宇宙是否起源于大爆炸学说，仍然缺乏足够多的令人信服的证据2014-1-13

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问题2:将宇宙作为一个孤立体系来看待？在这个问题上引起了哲学上的两大派别的论战. 唯心主义的观点:在十九世纪后半叶,有人将熵增加原理应用与整个宇宙得到了“热死论”.热死论者认为整个宇宙是一个孤立体系，整个宇宙的熵要趋于最大，因此有一天全宇宙的温度将到处一样，成为一种热动平衡状态，一切热运动将停止.这就是世界的末日到了.如果承认宇宙的末日，就要承认宇宙的开始，由此他们导出一个“荒谬” 的观点，即“造物主”和原始推动力的存在，并认为就是这个“原始推动力”上紧了“宇宙大钟”的发条，然后才走动起来.

2014-1-13

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恩格思在一系列的著作中，站在辨证唯物主义的立场上批判了“热死论”.“热死论”的错误在于把热力学的结果不合理的外推到整个宇宙. 到底谁正确，我认为应该用事实说话.“大爆炸理论”已有证据表明，通过大爆炸导致宇宙的膨胀，而膨胀过程是熵增加的过程，但是否宇宙会永远膨胀下去，则无法判断，是否膨胀到一定阶段会由于万有引力的作用，会开始收缩重新集结.开始新一轮的收缩与膨胀，在收缩期间熵

会减少.但目前来看，有关宇宙收缩的证据还不多.

2014-1-13

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问题3:既然孤立体系总是由有序向无序自发地发展，最后达到热力学平衡态，但为什么我们看到的自然界的事物都是向有序的方向发展呢？例一:人类(或其他一些动物)摄取氨基酸并在体内合成蛋白质. 已知氨基酸有20个品种,一个蛋白质包含成千上万个氨基酸.从20种氨基酸中挑选成千上万个氨基酸组成一个大分子, 则有很多种排列方式.要形成一个特殊结构的蛋白质分子的几率是很小的,例如要构成含100个氨基酸的蛋白质,就要有 10130种不同的排列.假定蛋白质分子每秒钟可变换其氨基酸的排列方式100万次,要形成一种特定排列方式的蛋白质就需要10124秒,而地球的年龄不过1017.但生物体每时每刻都在进行着特定方式的合成。

2014-1-13

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例二:树木、花朵、雪花、动物的皮毛乃至蝴蝶翅膀上的花纹呈现出美丽、有序的图案。整个社会如果作为一个体系，也趋向与更加有序，更加有组织。一般来说，我们可以将体系分为两类体系，一类体系是孤立体系，另外一类只有通过和外界环境进行物质和能量交换，在非平衡条件下才得以维持并呈现出宏观范围的时空有序。自然界的有序即属于第二类。这就是我们要介绍的非平衡态热力学(不可逆过程热力学)。在历史发展进程中，昂萨格(L.Onsager,1903~1976,美国人)和普里高京(I.Prigogine,1971~,比利时人)作出了杰出的贡献.

2014-1-13

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熵产生和熵流对于敞开体系,熵的变化有两部分,一部分是体系和环境间的相互作用而引起的, 这一部分熵变称为熵流(entropy flux),用deS表示；另一部分由体系内部的不可逆过程产生的，称为熵产生(entropy production)。用diS表示，所以有： ds=diS+ deS ; deS一般没有确定的符号，而diS却永远不会有负值。当体系经历可逆变化时为零，经历不可逆变化时大于零：diS 0 对于孤立体系，体系和环境没有任何物质和能量的交换，所以： deS=0 所以 dS= diS 0(熵增加原理) 对于非平衡的敞开体系要出现有序的稳定状态，则必需对环境提供足够的负熵流才有可能。

2014-1-13

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耗散结构(dissipative structure) 在某些条件下，体系通过和外界环境不断的交换物质和能量，以及通过内部进行的不可逆过程(能量消耗的过程),体

系的无序态有可能变为有序态，普里高京把这样形成的有序状态成为耗散结构 (dissipative structure)。关于“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一个重要新分支，是由比利时科学家伊里亚· 普里高京(I.Prigogine)于20世纪70年代提出的，由于这一成就，普里高京获1977年诺贝尔化学奖。

2014-1-13

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从几个例子看一下什么是耗散结构

天空中的云通常是不规则分布的，但有时蓝天和白云会形成蓝白相间的条纹，叫做天街，这是一种云的空间结构。容器装有液体，上下底分别同不同温度的热源接触，下底温度较上底高，当两板间温差超过一定阈值时，液体内部就会形成因对流而产生的六角形花纹，这就是著名的贝纳德效应，它是流体的一种空间结构。

2014-1-13

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在贝洛索夫—一萨波金斯基反应中，当用适当的催化剂和指示剂作丙二酸的溴酸氧化反应时，反应介质的颜色会在红色和蓝色之间作周期性变换，这类现象一般称为化学振荡或化学钟，是一种时间结构。在某些条件下这类反应的反应介质还可以出现许多漂亮的花纹· ,此即萨波金斯基花纹，它展示的是一种空间结构。

2014-1-13

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在另外一些条件下，萨波金斯基花纹会成同心圆或螺旋状向外扩散，象波一样在介质中传播，这就是所谓化学波，这是一种时间一一空间结构。诸如此类的例子很多，它们都属于耗散结构的范畴。为了从各不相同的耗散结构实例中找出其本质的特征和规律，普里戈津学派研究了非平衡热力学,继承和发展了前人关于物理学中相变的理论，运用了当代非线性微分方程以及随机过程的数学知识，揭示出耗散结构有如下几方面的基本特点

2014-1-13

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第一，产生耗散结构的系统都包含有大量的系统基元甚至多层次的组分。

贝纳德效应中的液体包含大量分子。天空中的云包含有由水分子组成的水蒸气、液滴，水晶和空气，因而是含有多组分多层次的系统。至于贝洛索夫——萨波金斯基反应，其中不仅含有大量分子原子和离子，并且有许多化学成分。不仅如此，在产生耗散结构的系统中，基元间以及不同的组分和层次间还通常存在着错综复杂的相互作用，其中尤为重要的是正反馈机制和非线性作用。正反馈可以看作自我复制自我放大的机制

,是“序”产生的重要因素，而非线性可以使系统在热力学分支失稳的基础上重新稳定到耗散结构分支上。

2014-1-13

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第二，产生耗散结构的系统必须是开放系统，必定同外界进行着物质与能量的交换。

天街中的云一定会和周围的大气和云进行物质交并和外界进行能量交换。如欲维持贝洛索夫一萨波金斯基反应中的时间、空间，时间——空间结构，则需不断地向进行反应的容器中注入所需的化学物质，这正是系统与外界的物质交换。耗散结构之所以依赖于系统开放，是因为根据热力学第二定律，一个孤立系统的熵要随时间增大直至极大值，此时对应最无序的平衡态，也就是说孤立系统绝对不会出现耗散结构。而开放系统可以使系统从外界引入足够强的负熵流来抵消系统本身的熵产生而使系统总熵减少或不变，从而使系统进入或维持相对有序的状态。

2014-1-13

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第三，产生耗散结构的系统必须处于远离平衡的状态。先举一个有关平衡状态的例子。假定暖水瓶是完全隔热的，里边放入温水，盖上瓶塞，其中的水不再受外界任何影响，最后水就进入一种各处温度均匀，没有宏观流动和翻滚且不再随时间改变的状态，叫平衡态，相应的结构称为平衡结构。根据热力学理论，在这种状态下是不可能出现任何耗散结构的。如果把瓶塞打开，用细棒搅拌瓶中的水，这时系统内发生翻滚流动，脱离平衡态。但若重新盖上瓶塞，经过足够长时间，系统又将不可避免的回到新的平衡态，仍不会有耗散结构。这表明系统虽走出了平衡态，但离开平衡态不够“远”。要想使系统产生耗散结构，就必须通过外界的物质流和能量流驱动系统使它远离平衡至一定程度，至少使其越过非平衡的线性区，即进入非线性区。

2014-1-13

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最明显的例子是贝纳德效应，若上下温差很小，不会出现六角形花纹，表明系统离开平衡态不够远。待温差达到一定程度，即离开平衡态足够远，才发生贝纳德对流。这里强调指出，耗散结构与平衡结构有本质的区别。平衡结构是一种“死”的结构，它的存在和维持不依赖于外界、而耗散结构是个“活”的结构，它只有在非平衡条件下依赖于外界才能形成和维持。由于它内部不断产生熵，就要不断地从外界引入负熵流，不断进行“新陈代谢”过程，一旦这种“代谢”条件被破坏，这个结构

就会“窒息而死”。所有自然界的生命现象都必须用第二种结构来解释。

2014-1-13

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