耗散结构与自组织现象
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
魏永亮 应用化学0801 应用化学0801
主要内容
•耗散结构 •贝纳特对流实验 •耗散结构的应用 •耗散结构的前景与展望
小问题?
经典热力学认为:系统中是 经典热力学认为: 自发地趋向于平衡,趋向于无序。 自发地趋向于平衡,趋向于无序。 但是实际上趋向平衡、 但是实际上趋向平衡、趋向无序并 不是大自然的普遍规律。 不是大自然的普遍规律。 大家能否几个不是熵增的 例子,即不符合经典热力学的例子? 例子,即不符合经典热力学的例子?
耗散结构
耗散结构理论指出:一个开放系统( 耗散结构理论指出:一个开放系统(无论是力学 物理的、 的、物理的、化学的还是生物的乃至社会的经 济的系统)处在远离平衡态的非线性区域, 济的系统)处在远离平衡态的非线性区域,当 系统的某个参数变化到达一定的的临界值( 系统的某个参数变化到达一定的的临界值(阈 通过涨落,系统发生突变, 值)时,通过涨落,系统发生突变,即非平衡 相变, 相变,其状态可能从原来的混乱无序的状态转 变到一种在时间上、 变到一种在时间上、空间上或功能上有序的新 状态,这种新的有序结构(耗散结构) 状态,这种新的有序结构(耗散结构)需要系 统不断的与外界交换物质和能量才能得以维持 并保持一定的稳定性, 并保持一定的稳定性,且不会因外界的微小扰 动而消失。 动而消失。
耗散结构
耗散结构:处在非线性区(远离平衡 耗散结构:处在非线性区( 的非平衡系统, 区)的非平衡系统,其状态随时间的 变化,有可能有序结构,即耗散结构。 变化,有可能有序结构,即耗散结构。 与处在线性区(即近平衡区) 与处在线性区(即近平衡区) 的非平衡系统随时间变化所趋向的定 熵产生率最小的状态) 态(熵产生率最小的状态)有着质的 区别(结构改变了)。 区别(结构改变了)。
耗散结构的条件
一.只有系统远离平衡态时,才可能出现耗散 只有系统远离平衡态时, 结构; 结构; 必须超过某一限度(温差、浓度差等), 二.必须超过某一限度(温差、浓度差等), 即阈值; 即阈值; 必须有不间断的物质和能量维持。 三.必须有不间断的物质和能量维持。 专家总结为:( :(1 系统必须是开放的, 专家总结为:(1)系统必须是开放的, 系统必须处于远离平衡态,( ,(3 (2)系统必须处于远离平衡态,(3)系 统内部存在非线性的相互作用,( ,(4 统内部存在非线性的相互作用,(4)涨落 导致有序。 导致有序。
贝纳特花纹
实验的理论分析
在处于远离平衡的敞开系统中,通过 在处于远离平衡的敞开系统中, 改变参量,可是系统失稳, 改变参量,可是系统失稳,并过渡到 与原来定态结构完全不同的新的稳定 态。这是建立在不稳定基础上的新的 有序稳定结构, 有序稳定结构,是依靠系统与外界交 换物质和能量维持的,一旦供应停止, 换物质和能量维持的,一旦供应停止, 这个耗散结构也必将终止! 这个耗散结构也必将终止!
贝纳特对流实验
当温差ΔT较小时, 当温差ΔT较小时,传热以导热的方式 ΔT较小时 平稳进行,液体从宏观上看是静止的; 平稳进行,液体从宏观上看是静止的; ΔT超过某一极限值 超过某一极限值ΔT 当 ΔT超过某一极限值ΔTc时,液体 发生突变,变得不稳定,出现对流, 发生突变,变得不稳定,出现对流, 并可发展成为排列非常整齐的六边形 对流原胞。如果ΔT继续增大, ΔT继续增大 对流原胞。如果ΔT继续增大,对流花 纹可发生多次分合。 纹可发生多次分合。
应用举例
激光、化学反应、电子线路、 激光、化学反应、电子线路、生命体等等
例:生命体是一个不断吸收负熵流,并不断进行自组织现象! 生命体是一个不断吸收负熵流,并不断进行自组织现象!
Βιβλιοθήκη Baidu 前景
有关耗散结构的形成机理及涨落 特性还没有研究清楚。 特性还没有研究清楚。这就是我 们的机会,我们需努力, 们的机会,我们需努力,说不定 咱也能获 诺贝尔奖 呢! 前景:一片光明,不过需努力! 前景:一片光明,不过需努力!
贝纳特对流实验
宏观系统的自然倾向是沿着时间箭头走向平衡 但实验发现, 态。但实验发现,当两种气体的混合体由于加 热而离开平衡态后, 热而离开平衡态后,组织便会以一种简单浓度 梯度的形式出现。 梯度的形式出现。所示盛有氢气和硫化氢气体 混合物的容器, 混合物的容器,使两端产生并保持一个很小的 温度差,就会发现两种气体将逐渐分离, 温度差,就会发现两种气体将逐渐分离,较轻 的氢气多流向较热的一边, 的氢气多流向较热的一边,较重的硫化氢气则 多聚集于较冷的一边,形成了各自的浓度梯度。 多聚集于较冷的一边,形成了各自的浓度梯度。 这个现象表明,在不可逆的非平衡态过程中, 这个现象表明,在不可逆的非平衡态过程中, 可以产生出有序性。 可以产生出有序性。
主要内容
•耗散结构 •贝纳特对流实验 •耗散结构的应用 •耗散结构的前景与展望
小问题?
经典热力学认为:系统中是 经典热力学认为: 自发地趋向于平衡,趋向于无序。 自发地趋向于平衡,趋向于无序。 但是实际上趋向平衡、 但是实际上趋向平衡、趋向无序并 不是大自然的普遍规律。 不是大自然的普遍规律。 大家能否几个不是熵增的 例子,即不符合经典热力学的例子? 例子,即不符合经典热力学的例子?
耗散结构
耗散结构理论指出:一个开放系统( 耗散结构理论指出:一个开放系统(无论是力学 物理的、 的、物理的、化学的还是生物的乃至社会的经 济的系统)处在远离平衡态的非线性区域, 济的系统)处在远离平衡态的非线性区域,当 系统的某个参数变化到达一定的的临界值( 系统的某个参数变化到达一定的的临界值(阈 通过涨落,系统发生突变, 值)时,通过涨落,系统发生突变,即非平衡 相变, 相变,其状态可能从原来的混乱无序的状态转 变到一种在时间上、 变到一种在时间上、空间上或功能上有序的新 状态,这种新的有序结构(耗散结构) 状态,这种新的有序结构(耗散结构)需要系 统不断的与外界交换物质和能量才能得以维持 并保持一定的稳定性, 并保持一定的稳定性,且不会因外界的微小扰 动而消失。 动而消失。
耗散结构
耗散结构:处在非线性区(远离平衡 耗散结构:处在非线性区( 的非平衡系统, 区)的非平衡系统,其状态随时间的 变化,有可能有序结构,即耗散结构。 变化,有可能有序结构,即耗散结构。 与处在线性区(即近平衡区) 与处在线性区(即近平衡区) 的非平衡系统随时间变化所趋向的定 熵产生率最小的状态) 态(熵产生率最小的状态)有着质的 区别(结构改变了)。 区别(结构改变了)。
耗散结构的条件
一.只有系统远离平衡态时,才可能出现耗散 只有系统远离平衡态时, 结构; 结构; 必须超过某一限度(温差、浓度差等), 二.必须超过某一限度(温差、浓度差等), 即阈值; 即阈值; 必须有不间断的物质和能量维持。 三.必须有不间断的物质和能量维持。 专家总结为:( :(1 系统必须是开放的, 专家总结为:(1)系统必须是开放的, 系统必须处于远离平衡态,( ,(3 (2)系统必须处于远离平衡态,(3)系 统内部存在非线性的相互作用,( ,(4 统内部存在非线性的相互作用,(4)涨落 导致有序。 导致有序。
贝纳特花纹
实验的理论分析
在处于远离平衡的敞开系统中,通过 在处于远离平衡的敞开系统中, 改变参量,可是系统失稳, 改变参量,可是系统失稳,并过渡到 与原来定态结构完全不同的新的稳定 态。这是建立在不稳定基础上的新的 有序稳定结构, 有序稳定结构,是依靠系统与外界交 换物质和能量维持的,一旦供应停止, 换物质和能量维持的,一旦供应停止, 这个耗散结构也必将终止! 这个耗散结构也必将终止!
贝纳特对流实验
当温差ΔT较小时, 当温差ΔT较小时,传热以导热的方式 ΔT较小时 平稳进行,液体从宏观上看是静止的; 平稳进行,液体从宏观上看是静止的; ΔT超过某一极限值 超过某一极限值ΔT 当 ΔT超过某一极限值ΔTc时,液体 发生突变,变得不稳定,出现对流, 发生突变,变得不稳定,出现对流, 并可发展成为排列非常整齐的六边形 对流原胞。如果ΔT继续增大, ΔT继续增大 对流原胞。如果ΔT继续增大,对流花 纹可发生多次分合。 纹可发生多次分合。
应用举例
激光、化学反应、电子线路、 激光、化学反应、电子线路、生命体等等
例:生命体是一个不断吸收负熵流,并不断进行自组织现象! 生命体是一个不断吸收负熵流,并不断进行自组织现象!
Βιβλιοθήκη Baidu 前景
有关耗散结构的形成机理及涨落 特性还没有研究清楚。 特性还没有研究清楚。这就是我 们的机会,我们需努力, 们的机会,我们需努力,说不定 咱也能获 诺贝尔奖 呢! 前景:一片光明,不过需努力! 前景:一片光明,不过需努力!
贝纳特对流实验
宏观系统的自然倾向是沿着时间箭头走向平衡 但实验发现, 态。但实验发现,当两种气体的混合体由于加 热而离开平衡态后, 热而离开平衡态后,组织便会以一种简单浓度 梯度的形式出现。 梯度的形式出现。所示盛有氢气和硫化氢气体 混合物的容器, 混合物的容器,使两端产生并保持一个很小的 温度差,就会发现两种气体将逐渐分离, 温度差,就会发现两种气体将逐渐分离,较轻 的氢气多流向较热的一边, 的氢气多流向较热的一边,较重的硫化氢气则 多聚集于较冷的一边,形成了各自的浓度梯度。 多聚集于较冷的一边,形成了各自的浓度梯度。 这个现象表明,在不可逆的非平衡态过程中, 这个现象表明,在不可逆的非平衡态过程中, 可以产生出有序性。 可以产生出有序性。