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。