6.演化规律
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)。
第四章 自然系统演化的规律性
第四章 自然系统演化的规律性
1
根据现代自然科学所揭示的自然界的演 化图景，我们看到，这一过程是自然界物 质系统不断地自我调节、自我更新、自我 组织的过程，是一个自发地从简单到复杂、 从无序到有序的演化过程。
第四章 自然系统演化的规律性
2
第一节 自然系统演化的不可逆性
自然界的演化是自发进行的，而一切自发 过程都是不可逆的。本节主要探讨不可逆性 的概念，及它在自然界演化过程中起着什么 作用。
也就是说，在不可逆过程中，时间的反演是不 对称性，过去不同于未来，因而时间具有方向性。 自然界的变化留下了永久的、不可磨灭的历史痕 迹。
第四章 自然系统演化的规律性
11
二、不可逆过程的科学描述
1.熵的含义
科学中对不可逆性过程的研究，最初来自与热 力学第二定律相联系的熵的概念。克劳修斯引入 了熵的概念来描述这种不可逆过程。在热力学中， 熵是系统的状态函数，它的物理表达式如下：
16
几率与熵
根据几率理论，对于由大量质点所构成的系 统来说，一事物的混乱程度越高，则其几率越 大。混乱程度是可以用几率的大小来表示的。 所以，系统的熵增加，也意味着系统由几率小 的状态向几率大的状态的变化。
熵的概念本出于热力学，与几率理论相结合 便超越了热力学，进而被推广到更加广泛的领 域。
第四章 自然系统演化的规律性
Q
T1
T2
> / + / 如果T1 T2，S孤=S1+ S2= - Q T1 Q T2
/ > = Q（T1–T2） T1T2 0
第四章 自然系统演化的规律性
13
对于孤立系统而言，如果发生一不可逆过程，则 系统的熵值将增加；对于非孤立系统来说，如果发 生一不可逆过程，则系统的熵变与环境熵变的总和 即总熵变大于零。用符号表示：
头的；它决不重做它所破坏的东西；它不会再 看已经破坏的模型。在将来无数的新组合中， 你们不可能看到两次出现同样的人类，同样的 植物群系，同样的动物群系”。
第四章 自然Βιβλιοθήκη Baidu统演化的规律性
10
3、不可逆性与时间之矢 对于不可逆过程来说，时间已不再是描述系统
运动的外在参量，而是和系统的演化相联系的， 从而是有物理内容的时间。
主观印象，他说：“在物理学的基本定律中没有任何不可逆 性，你必须接受这样的思想：主观的时间，连同它对‘现在’ 的强调，都是没有任何客观意义的。”“就我们这些受人们 信任的物理学家而言，过去、现在和将来之间的区别只是一
种幻觉，然而，这种区别依然持续着。”玻恩也曾经断言：
“不可逆性是无知介入物理学基本定律的后果。”
系统越有序。因此，信息意味着负熵或熵的减 少。
第四章 自然系统演化的规律性
18
对称性与熵
系统的对称性大，则无序；而系统的对称性小，则 有序。完全无序的混沌状态对称性最大，随着有序性的 增加，伴之以对称性的减少，从而形成各种结构和状态， 出现丰富多彩的自然现象。
第四章 自然系统演化的规律性
6
经典力学就是以可逆变化为研究对象，其基本 特征是时间反演不变。以牛顿第二定律为例：
Ｆ＝ｍｄ2ｒ／ｄｔ2
方程对于时间的反演t→-t来说是不变的。这就是说， 只要知道现在的状态，通过解方程既能确定过去的状态， 也能确定未来的状态，过去和未来没有区别的。因此， 在经典力学中谈不上进化和历史。时间只是一个描述运 动的几何参量，是独立于物质运动之外的一种流程。
第四章 自然系统演化的规律性
3
一、不可逆过程的普遍性
1、什么是可逆？什么是不可逆？
所谓可逆，指的是一个物质系统在发生了
某种状态变化之后，如果这个系统能与环境 同时恢复到原来状态，则这个变化过程就是 可逆的；反之，如果这个系统不能与环境同 时恢复到原来的状态，则这个变化过程是不 可逆的。
第四章 自然系统演化的规律性
17
信息与熵
在现代科学中，还用信息这个概念来表示系统的有 序程度。信息本来是通讯理论中的一个基本概念，指 的是在通讯过程中信号不确定性的消除。后来把这个 概念推广到一般系统，并将信息量看作是一个系统有 序性或组织程度的量度。如果一个系统有确定的结构， 就意味着它已经包含着一定的信息。这种信息叫做结 构信息，可用来表示系统的有序性；结构信息量越大，
例如，只有忽略掉磨擦，才有理想的单摆， 只有忽略其他天体对地球的影响，以及地球本 身的复杂性，才有严格周期性的地球公转；只 有忽略掉热的耗散，才有理想的卡诺循环。
第四章 自然系统演化的规律性
9
不可逆性是自然界演化过程的一个普遍 特点，正是这种不可逆性，决定了演化的 方向性，以及循环的前进性。
法国诗人哲学家奇内说：“自然是不会回
ΔS=ΔQ/T
其中S表示熵，Q表示热量，T表示温度。即一 个系统的熵等于该系统在一定过程中所吸收（或 耗散）的热量除以它的绝对温度。
第四章 自然系统演化的规律性
12
2、不可逆过程与熵变
热力学第二定律指出：热量从高温物体流向低 温物体是不可逆的。可以证明，只要有热量从高 温物体流向低温物体，系统的熵就会增加。这样， 熵的变化就成为可逆过程与不可逆过程差异的一 种判据。
S孤 0 或 S总 = S系统 + S环境 0
第四章 自然系统演化的规律性
14
3、关于熵的解释
有序性与熵
系统的熵增加，意味着系统变得无序，它的组 织程度降低；而系统的熵减小，意味着系统变得 更有序，它的组织程度提高。所以，熵是系统有 序或无序程度的度量。
第四章 自然系统演化的规律性
15
第四章 自然系统演化的规律性
第四章 自然系统演化的规律性
7
相对论和量子力学虽然带来了一场深刻 的革命，但是在时间可逆这一点上，却没 有改变经典力学的基本观点。因为在相对 论方程和量子力学方程中同样是时间反演 不变的。也就是说，上述科学描述了一幅 可逆的自然图景。
第四章 自然系统演化的规律性
8
实际上，自然界根本没有绝对的、无条件的 可逆变化，可逆只是一种理想化的产物，是在 略去某些变化不计的情况下的一种科学抽象。
4
注意点：
（1）可逆与不可逆是关于变化过程的概念。 （2）可逆与不可逆过程所指的复原是包括系 统与环境的同时复原。
第四章 自然系统演化的规律性
5
2、自然界的演化过程是可逆还是不可逆的？
在科学史上，有许多科学家都把不可逆性看作是 近似的结果，或看作主体观点向物理世界的入侵。
例如，爱因斯坦认为，不可逆性只是一种幻觉，一种
第四章 自然系统演化的规律性
1
根据现代自然科学所揭示的自然界的演 化图景，我们看到，这一过程是自然界物 质系统不断地自我调节、自我更新、自我 组织的过程，是一个自发地从简单到复杂、 从无序到有序的演化过程。
第四章 自然系统演化的规律性
2
第一节 自然系统演化的不可逆性
自然界的演化是自发进行的，而一切自发 过程都是不可逆的。本节主要探讨不可逆性 的概念，及它在自然界演化过程中起着什么 作用。
也就是说，在不可逆过程中，时间的反演是不 对称性，过去不同于未来，因而时间具有方向性。 自然界的变化留下了永久的、不可磨灭的历史痕 迹。
第四章 自然系统演化的规律性
11
二、不可逆过程的科学描述
1.熵的含义
科学中对不可逆性过程的研究，最初来自与热 力学第二定律相联系的熵的概念。克劳修斯引入 了熵的概念来描述这种不可逆过程。在热力学中， 熵是系统的状态函数，它的物理表达式如下：
16
几率与熵
根据几率理论，对于由大量质点所构成的系 统来说，一事物的混乱程度越高，则其几率越 大。混乱程度是可以用几率的大小来表示的。 所以，系统的熵增加，也意味着系统由几率小 的状态向几率大的状态的变化。
熵的概念本出于热力学，与几率理论相结合 便超越了热力学，进而被推广到更加广泛的领 域。
第四章 自然系统演化的规律性
Q
T1
T2
> / + / 如果T1 T2，S孤=S1+ S2= - Q T1 Q T2
/ > = Q（T1–T2） T1T2 0
第四章 自然系统演化的规律性
13
对于孤立系统而言，如果发生一不可逆过程，则 系统的熵值将增加；对于非孤立系统来说，如果发 生一不可逆过程，则系统的熵变与环境熵变的总和 即总熵变大于零。用符号表示：
头的；它决不重做它所破坏的东西；它不会再 看已经破坏的模型。在将来无数的新组合中， 你们不可能看到两次出现同样的人类，同样的 植物群系，同样的动物群系”。
第四章 自然Βιβλιοθήκη Baidu统演化的规律性
10
3、不可逆性与时间之矢 对于不可逆过程来说，时间已不再是描述系统
运动的外在参量，而是和系统的演化相联系的， 从而是有物理内容的时间。
主观印象，他说：“在物理学的基本定律中没有任何不可逆 性，你必须接受这样的思想：主观的时间，连同它对‘现在’ 的强调，都是没有任何客观意义的。”“就我们这些受人们 信任的物理学家而言，过去、现在和将来之间的区别只是一
种幻觉，然而，这种区别依然持续着。”玻恩也曾经断言：
“不可逆性是无知介入物理学基本定律的后果。”
系统越有序。因此，信息意味着负熵或熵的减 少。
第四章 自然系统演化的规律性
18
对称性与熵
系统的对称性大，则无序；而系统的对称性小，则 有序。完全无序的混沌状态对称性最大，随着有序性的 增加，伴之以对称性的减少，从而形成各种结构和状态， 出现丰富多彩的自然现象。
第四章 自然系统演化的规律性
6
经典力学就是以可逆变化为研究对象，其基本 特征是时间反演不变。以牛顿第二定律为例：
Ｆ＝ｍｄ2ｒ／ｄｔ2
方程对于时间的反演t→-t来说是不变的。这就是说， 只要知道现在的状态，通过解方程既能确定过去的状态， 也能确定未来的状态，过去和未来没有区别的。因此， 在经典力学中谈不上进化和历史。时间只是一个描述运 动的几何参量，是独立于物质运动之外的一种流程。
第四章 自然系统演化的规律性
3
一、不可逆过程的普遍性
1、什么是可逆？什么是不可逆？
所谓可逆，指的是一个物质系统在发生了
某种状态变化之后，如果这个系统能与环境 同时恢复到原来状态，则这个变化过程就是 可逆的；反之，如果这个系统不能与环境同 时恢复到原来的状态，则这个变化过程是不 可逆的。
第四章 自然系统演化的规律性
17
信息与熵
在现代科学中，还用信息这个概念来表示系统的有 序程度。信息本来是通讯理论中的一个基本概念，指 的是在通讯过程中信号不确定性的消除。后来把这个 概念推广到一般系统，并将信息量看作是一个系统有 序性或组织程度的量度。如果一个系统有确定的结构， 就意味着它已经包含着一定的信息。这种信息叫做结 构信息，可用来表示系统的有序性；结构信息量越大，
例如，只有忽略掉磨擦，才有理想的单摆， 只有忽略其他天体对地球的影响，以及地球本 身的复杂性，才有严格周期性的地球公转；只 有忽略掉热的耗散，才有理想的卡诺循环。
第四章 自然系统演化的规律性
9
不可逆性是自然界演化过程的一个普遍 特点，正是这种不可逆性，决定了演化的 方向性，以及循环的前进性。
法国诗人哲学家奇内说：“自然是不会回
ΔS=ΔQ/T
其中S表示熵，Q表示热量，T表示温度。即一 个系统的熵等于该系统在一定过程中所吸收（或 耗散）的热量除以它的绝对温度。
第四章 自然系统演化的规律性
12
2、不可逆过程与熵变
热力学第二定律指出：热量从高温物体流向低 温物体是不可逆的。可以证明，只要有热量从高 温物体流向低温物体，系统的熵就会增加。这样， 熵的变化就成为可逆过程与不可逆过程差异的一 种判据。
S孤 0 或 S总 = S系统 + S环境 0
第四章 自然系统演化的规律性
14
3、关于熵的解释
有序性与熵
系统的熵增加，意味着系统变得无序，它的组 织程度降低；而系统的熵减小，意味着系统变得 更有序，它的组织程度提高。所以，熵是系统有 序或无序程度的度量。
第四章 自然系统演化的规律性
15
第四章 自然系统演化的规律性
第四章 自然系统演化的规律性
7
相对论和量子力学虽然带来了一场深刻 的革命，但是在时间可逆这一点上，却没 有改变经典力学的基本观点。因为在相对 论方程和量子力学方程中同样是时间反演 不变的。也就是说，上述科学描述了一幅 可逆的自然图景。
第四章 自然系统演化的规律性
8
实际上，自然界根本没有绝对的、无条件的 可逆变化，可逆只是一种理想化的产物，是在 略去某些变化不计的情况下的一种科学抽象。
4
注意点：
（1）可逆与不可逆是关于变化过程的概念。 （2）可逆与不可逆过程所指的复原是包括系 统与环境的同时复原。
第四章 自然系统演化的规律性
5
2、自然界的演化过程是可逆还是不可逆的？
在科学史上，有许多科学家都把不可逆性看作是 近似的结果，或看作主体观点向物理世界的入侵。
例如，爱因斯坦认为，不可逆性只是一种幻觉，一种