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1、南开大学南开大学NankaiUnversity会会议报告告 物理化学课程如何介绍非平衡态热力学物理化学课程如何介绍非平衡态热力学南开高校化学系 朱志昂E-mail：zazhunankai.edu 会会议报告告NankaiUnversity主讲人：2朱志昂书目书目一、平衡态热力学特点及局限性一、平衡态热力学特点及局限性二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学1.局域平衡假设局域平衡假设2.昂萨格倒易关系昂萨格倒易关系3.熵产生原理熵产生原理4.最小熵产生原理最小熵产生原理三、非线性非平衡态热力学三、非线性非平衡态热力学1.非线性非平衡定态稳定性非线性非平衡定态稳定性 判据判据-超熵产生判据超
2、熵产生判据2.自组织现象自组织现象3.耗散结构耗散结构 会会议报告告NankaiUnversity主讲人：3朱志昂一、平衡态热力学特点及局限性一、平衡态热力学特点及局限性1.热力学发展的三个阶段热力学发展的三个阶段2.第一阶段第一阶段:平衡态热力学平衡态热力学(即经典热力学即经典热力学)3.热力学三大定律为基础，一百多年历史。热力学三大定律为基础，一百多年历史。4.其次阶段其次阶段:线性非平衡态热力学线性非平衡态热力学5.20世纪世纪30年头，昂萨格年头，昂萨格(Lars Onsager 1903一一1976，诞生于挪威奥斯陆，诞生于挪威奥斯陆，1928年移居美国，年移居美国，1945年加入美
3、国籍年加入美国籍,1968年获诺贝尔化学奖。年获诺贝尔化学奖。)提提出了线性唯象系数的对称原理一出了线性唯象系数的对称原理一 昂萨格倒易关系昂萨格倒易关系,它它是不行逆热力学最早的理论。是不行逆热力学最早的理论。会会议报告告NankaiUnversity主讲人：4朱志昂一、平衡态热力学特点及局限性一、平衡态热力学特点及局限性20世纪40年头,普利高津(IlyaPrigogine,比利时物理化学家，1917年1月25日诞生在莫斯科，2003年5月28日去世。十月革命时流亡到比利时定居，在布鲁塞尔自由高校获理学博士学位，并留校任教。1967年后任美国设在德克萨斯州高校（奥斯汀）的统计力学和热力学探
4、讨中心的负责人。)依据局域平衡假设和昂萨格倒易关系,将热力学其次定律推广到放开体系,提出了最小熵产生原理,建立了线性非平衡态热力学。会会议报告告NankaiUnversity主讲人：5朱志昂一、平衡态热力学特点及局限性一、平衡态热力学特点及局限性第三阶段:非线性非平衡态热力学普利高津及其学派把不行逆过程热力学推广到远离平衡的非平衡非线性区，提出了著名的耗散结构理论，这是热力学理论发展史上的一个重要里程碑，因而荣获1977年诺贝尔化学奖。其次阶段和第三阶段是交叉进行的，这两个阶段是当今热力学探讨的前沿领域。会会议报告告NankaiUnversity主讲人：6朱志昂2.平衡态热力学特点及局限性平衡
5、态热力学特点及局限性（1）探讨的对象是处于平衡态的宏观物体，不考）探讨的对象是处于平衡态的宏观物体，不考虑结构虑结构,不考虑时间。不考虑时间。（2）探讨的是平衡态或是可逆过程的热力学问题，）探讨的是平衡态或是可逆过程的热力学问题，对不行逆过程只是在始态和终态都是在平衡态的对不行逆过程只是在始态和终态都是在平衡态的状况下，依据热力学其次定律建立了一些热力学状况下，依据热力学其次定律建立了一些热力学不等式，判别过程进行的方向，并不涉及不行逆不等式，判别过程进行的方向，并不涉及不行逆过程本身。自然界实际发生的过程都是不行逆的。过程本身。自然界实际发生的过程都是不行逆的。热力学判据只适用孤立体系或封闭
6、体系，而事实热力学判据只适用孤立体系或封闭体系，而事实上大多是放开体系。上大多是放开体系。一、平衡态热力学特点及局限性一、平衡态热力学特点及局限性会会议报告告NankaiUnversity主讲人：认为体系总是自发地趋于平衡、趋于无序，事实上趋向平衡、趋向无序并不是自然界的普遍规律。经典热力学深刻阐明白平衡状态下各种化学现象的规律，确立了能量转换关系，明确指出宏观过程的方向和极限，为化工生产供应了理论基础。但经典热力学无法揭示实际的不行逆过程的内在规律。7朱志昂一、平衡态热力学特点及局限性一、平衡态热力学特点及局限性会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性
7、非平衡态热力学要解决的问题：如何判别变更的方向和限度？1.局域平衡假设(1)稳态热力学平衡态（equilibriumstate）不但要求体系没有宏观位移，而且要求孤立体系中各部分的全部宏观性质都不随时间而变。非孤立体系的平衡状态必需同时满足下列两个条件：(i)体系中各部分的全部宏观性质都不随时间而变；(ii)当体系与环境完全隔离开后，体系中各部分的全部宏观性质都不起变更。8朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学9朱志昂稳态稳态(steady state)处于恒定的外部限制条件（如固定的边界条件或浓度限处于恒定的外部限制条件（如固定的
8、边界条件或浓度限制条件等）时，体系内部发生宏观变更，则体系处于非平衡制条件等）时，体系内部发生宏观变更，则体系处于非平衡态。经过确定时间体系达到一种在宏观上不随时间变更的恒态。经过确定时间体系达到一种在宏观上不随时间变更的恒稳状态稳状态,此状态称为非平衡稳态或简称为稳态此状态称为非平衡稳态或简称为稳态(或称定态或称定态)。稳态体系的内部宏观过程仍旧在进行着。稳态体系的内部宏观过程仍旧在进行着。会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学(2)局域平衡假设局域平衡假设 在非平衡稳态条件下，经典热力学的温度、压力、熵函在非平衡稳态条件下，经典热力学
9、的温度、压力、熵函数、数、Gibbs函数等的定义无效或消逝了。因此，经典热力学函数等的定义无效或消逝了。因此，经典热力学不适用于生命体系，也不适用宇宙。不适用于生命体系，也不适用宇宙。为了能接着接受经典热为了能接着接受经典热力学的一些函数和关系式，并将其延长到非平衡稳态，为此，力学的一些函数和关系式，并将其延长到非平衡稳态，为此，布鲁塞尔（布鲁塞尔（Brussel）学派的普利高津等人提出了如下的局域）学派的普利高津等人提出了如下的局域平衡假设：平衡假设：10朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学A)将体系分成很多小体积单元（局域），
10、每一个单元在宏观上足够小，可以用其中任一点的性质来代表该单元的性质，但在微观上它仍旧包含大量粒子，能表达宏观统计的性质（如温度、压力、熵等）。11朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学B)当某一局域在t+dt时刻达到平衡（留意：整个体系尚未达到平衡），则该局域的热力学函数即可代表t时刻该局域非平衡态的热力学函数，整个体系的热力学函数就是各局域热力学函数的加和。12朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学C)以上得到的热力学函数之间仍旧满足经典热力学以上得到的热力学函数之间仍
11、旧满足经典热力学 关系式。关系式。应特殊指出，局域平衡假设只适用于离平衡应特殊指出，局域平衡假设只适用于离平衡态不远的非平衡体系。例如扰动不大、分子碰撞态不远的非平衡体系。例如扰动不大、分子碰撞传能速率大于某不行逆过程速率。对化学反应则传能速率大于某不行逆过程速率。对化学反应则应符合应符合 Ea/RT5，对大多数，对大多数273K1000K间间发生的化学反应是能满足这一条件的。发生的化学反应是能满足这一条件的。13朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学2.昂萨格（昂萨格（Onsager）倒易关系）倒易关系 (1)热力学力和流热力学力
12、和流 在探讨不行逆过程时，将势函数称为热力学在探讨不行逆过程时，将势函数称为热力学力力(简称力简称力)（X），由此引起的不行逆过程的速率称），由此引起的不行逆过程的速率称为流（为流（J）。例如温度势）。例如温度势-(1/T)引起热传导，电池引起热传导，电池电动势电动势E引起电流引起电流I，化学势的负梯度，化学势的负梯度-(i/T)引起引起扩散，化学反应亲和势（扩散，化学反应亲和势（A/T）不为零引起化学反应）不为零引起化学反应趋向于化学平衡。热力学力是产生能量流和物质流趋向于化学平衡。热力学力是产生能量流和物质流的推动力，流是热力学广度性质对时间的导数，而的推动力，流是热力学广度性质对时间的导
13、数，而力是强度量的差值。常见的热力学力与流的线性关力是强度量的差值。常见的热力学力与流的线性关系如下表所示。系如下表所示。14朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学热力学力与流的线性关系15朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学(2)昂萨格（Onsager）倒易关系若体系内部同时存在两种以上的不行逆过程，无论是哪一种性质的力与流，在耦合过程中，流与力的作用具有对易性质，相互交换位置而不变更结果。描述各种不行逆过程的流和力之间的线性唯象关系的唯象系数之间满足一种对称关系。可
14、以认为，在力(X)与流(J)之间存在着线性关系，即16朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学J=LX (1)L为唯象系数。若有几种不行逆过程能同时发生，且彼此影为唯象系数。若有几种不行逆过程能同时发生，且彼此影响，力和流之间的线性关系可表示为：响，力和流之间的线性关系可表示为：J1=L11X1+L12X2+L1nXnJ2=L21X1+L22X2+L2nXn (2)Jn=Ln1X1+Ln2X2+LnnXn昂萨格通过论证提出，在唯象系数之间存在如下关系：昂萨格通过论证提出，在唯象系数之间存在如下关系：Lik=Lki (i，k=1，2，3
15、，n)(3)17朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学这一关系式称为昂萨格倒易关系式。其物理意义是第i个流的Ji与第k个力Xk之间的唯象系数Lik和第k个流的Jk与第i个力Xi之间的唯象系数Lki相等。在(2)式中有多个唯象系数，有了昂萨格倒易关系式后，可以将唯象系数的个数削减一半，简化了求解不行逆过程中物理量的计算。昂萨格倒易关系是不行逆过程热力学中的一个基本关系，昂萨格因此而获得1968年诺贝尔化学奖。18朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学3.熵产生原理熵产生原理
16、 (1)孤立体系熵增加原理孤立体系熵增加原理 对任一封闭体系中发生的任一给定过程，推断对任一封闭体系中发生的任一给定过程，推断它能否发生，必需同时求出环境的熵变，然后求总它能否发生，必需同时求出环境的熵变，然后求总体（相当于孤立体系）的熵变。孤立体系是不行能体（相当于孤立体系）的熵变。孤立体系是不行能实现的，因为宇宙线或高能粒子总是不断地射到地实现的，因为宇宙线或高能粒子总是不断地射到地球上。另外，放开体系也不能忽视，例如，对生物球上。另外，放开体系也不能忽视，例如，对生物体来说，与环境不断地交换物质是它们生存的必要体来说，与环境不断地交换物质是它们生存的必要条件。条件。19朱志昂会会议报告告
17、NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学(2)随意体系熵产生原理随意体系熵产生原理 1945年，比利时人年，比利时人 Prigogine 将熵增加原理推广到将熵增加原理推广到随意体系（封闭的、放开的和孤立的），给出了一个普遍随意体系（封闭的、放开的和孤立的），给出了一个普遍的熵表述式。任一体系在平衡态有一个状态函数的熵表述式。任一体系在平衡态有一个状态函数S 的确定的确定值，它是广度性质。当体系的状态发生变更后，体系的熵值，它是广度性质。当体系的状态发生变更后，体系的熵变可分为两部分之和，称为外熵变和内熵变之和。变可分为两部分之和，称为外熵变和内熵变之
18、和。20朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学熵流（熵流（entropy flux）外熵变是由体系与环境通过界面进行热交换和物质交换外熵变是由体系与环境通过界面进行热交换和物质交换时进入或流出体系的熵流所引起的。熵流的概念是把熵当作时进入或流出体系的熵流所引起的。熵流的概念是把熵当作一种流体，正如曾经把热当作流体（称为一种流体，正如曾经把热当作流体（称为“热质热质”）一样。）一样。把熵和能量建立在同样基础上，它们两者都有真实性，或两把熵和能量建立在同样基础上，它们两者都有真实性，或两者都没有。但熵和能量又不同，熵可以产生，却不能被歼
19、灭；者都没有。但熵和能量又不同，熵可以产生，却不能被歼灭；而能量则不生不灭。而能量则不生不灭。21朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学熵产生（熵产生（entropy production）内熵变是由于体系内部发生的不行逆过程（例如，热内熵变是由于体系内部发生的不行逆过程（例如，热传导、扩散、化学反应等）所引起的熵产生。做功（内功传导、扩散、化学反应等）所引起的熵产生。做功（内功和外功）只能引起熵产生，不引起熵流。和外功）只能引起熵产生，不引起熵流。22朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二
20、、线性非平衡态热力学孤立体系孤立体系 S孤立孤立。随意体系中发生一个微小过程随意体系中发生一个微小过程 dS体系体系deSdiS （4）式中式中deS 代表外熵变，代表外熵变，diS 代表内熵变。这样从形式上看，代表内熵变。这样从形式上看，diS不再与不再与dS环境有关环境有关熵产生原理熵产生原理 diS “”不行逆过程不行逆过程 (5)“=”可逆过程可逆过程23朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学“体系的熵产生永不为负值，在可逆过程中为零，在不行逆过程中大于零”，这就是熵产生原理，它是熵增加原理的推广，适用于随意体系中的任何过程
21、。熵的平衡方程式:dS/dt=deS/dtdiS/dt(6)由于deS/dt可以是正、负和零，而diS/dt总是大于零或等于零，因此可得下列一些结论：24朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学()绝热封闭体系或孤立体系的熵永不削减，可逆过程中熵不绝热封闭体系或孤立体系的熵永不削减，可逆过程中熵不变，不行逆过程中熵增加，这就是熵增加原理。因此，熵变，不行逆过程中熵增加，这就是熵增加原理。因此，熵增加原理仅是熵产生原理中的一个特例。增加原理仅是熵产生原理中的一个特例。()体系向外流出熵（或说体系得负熵），若正好抵消体系内体系向外流出熵（
22、或说体系得负熵），若正好抵消体系内的熵产生，即的熵产生，即 deS/dt=diS/dt，dS/dt=此时体系处于稳态。此时体系处于稳态。()若负熵流大于熵产生，即若负熵流大于熵产生，即deS/dt diS/dt，此时体系，此时体系的熵削减，体系将变得有序化，即：体系出现有序化结构的熵削减，体系将变得有序化，即：体系出现有序化结构25朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学对生命过程的说明对生命过程的说明 一个有生命的生物体是热力学放开体系。依据熵产生原一个有生命的生物体是热力学放开体系。依据熵产生原理，在生物体内发生的过程均为不行逆过
23、程，过程的后果是体理，在生物体内发生的过程均为不行逆过程，过程的后果是体内熵增加。体内熵增加意味着有序度下降或无序度（混乱度，内熵增加。体内熵增加意味着有序度下降或无序度（混乱度，disorder）增加。熵达到最大值，意味机体死亡。那么如何保）增加。熵达到最大值，意味机体死亡。那么如何保持机体处于高度有序性以维持生命呢？由于在生物体内发生了持机体处于高度有序性以维持生命呢？由于在生物体内发生了诸如生化反应，物质的扩散和血液流淌等不行逆过程，故诸如生化反应，物质的扩散和血液流淌等不行逆过程，故iS。为了保持机体内的熵不变，使机体接近于或处于稳态，。为了保持机体内的熵不变，使机体接近于或处于稳态，
24、即即dS/dt0，eS 必需小于零，以抵消必需小于零，以抵消iS0。26朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学eS 包括如下述的两项包括如下述的两项 一项由与环境的热交换引起，另一项由与环境的物质交一项由与环境的热交换引起，另一项由与环境的物质交换引起。与环境的热交换换引起。与环境的热交换 的符号可以是正或负，确定于机的符号可以是正或负，确定于机体与环境的温差是正或负。若环境比机体冷，体与环境的温差是正或负。若环境比机体冷，eS为负值，为负值，环境温度越低环境温度越低eS越负，所以寒带人寿命比热带人长。越负，所以寒带人寿命比热带人长
25、。27朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学另一项是与环境的物质交换,对动物或人来说就是吃进食物和排出废物。食物包含着高度有序化的和低熵值的大分子物质，例如蛋白质和淀粉，而废物是无序的和高熵值的小分子物质。因此，机体得以维持生命，保持确定熵值，就靠从环境吸入低熵物质，放出高熵物质这样一种物质交换，eS才能保持负值，以抵消由于机体内发生不行逆过程所引起的熵产生iS。不行逆热力学原理对生物体系的应用有着广袤的前景。28朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学4.最小熵产生原理依
26、据热力学其次定律，在孤立体系中，体系内不行逆过程是沿着熵增加的方向进行的，当体系的熵达到极大值时，体系处于热力学平衡态，热力学判据为：dS/dt0。29朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学(1)最小熵产生原理最小熵产生原理 对于放开的非平衡体系，当处于近平衡区（离平衡态不对于放开的非平衡体系，当处于近平衡区（离平衡态不 远）远），其变更遵守线性关系时，则它的熵如何变更，其变更遵守线性关系时，则它的熵如何变更?普里普里高津于高津于1945年提出最小熵产生原理，其数学表达式为：年提出最小熵产生原理，其数学表达式为：dP/dt 0。(7
27、)式中：式中：P=diS/dt，称为熵产生率。，称为熵产生率。“=”号对应定态状况，号对应定态状况，“”号对应偏离定态状况。号对应偏离定态状况。30朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学其物理意义是：线性非平衡体系内不行逆过程的熵产生率P随时间的进行总是朝着熵产生率减小的方向进行，直到熵产生率达到微小值，体系达到非平衡的定态，这时熵产生率不再随时间变更，这就是最小熵产生原理。最小熵产生原理保证了非平衡态体系线性区内各点性质不随时间变更的定态是稳定的。31朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二
28、、线性非平衡态热力学 依据最小熵产生原理，定态具有最小的熵产生率，任何依据最小熵产生原理，定态具有最小的熵产生率，任何在外界有限扰动下，体系偏离定态的扰动状态都具有比定态更在外界有限扰动下，体系偏离定态的扰动状态都具有比定态更大的熵产生率，即：大的熵产生率，即：P定态定态 P扰动态。同时扰动态的熵产生扰动态。同时扰动态的熵产生率率 dP/dt0 保证了扰动态的熵产生率会随时间的持续不断减保证了扰动态的熵产生率会随时间的持续不断减小，直到复原为该条件下的微小值：小，直到复原为该条件下的微小值：P定态定态 ，体系复原到定，体系复原到定态。因此，非平衡线性区的定态是稳定的。态。因此，非平衡线性区的定
29、态是稳定的。32朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：二、线性非平衡态热力学二、线性非平衡态热力学(2)最小熵产生原理适用的条件最小熵产生原理适用的条件 最小熵产生原理只有在同时满足下述三个条件下才能适用最小熵产生原理只有在同时满足下述三个条件下才能适用:(A)体系的流体系的流-力关系处于线性范围；力关系处于线性范围；(B)昂萨格倒易关系成立；昂萨格倒易关系成立；(C)唯象系数是不随时间变更的常数。唯象系数是不随时间变更的常数。只有在体系处于平衡只有在体系处于平衡 态旁边（离平衡态不远）时这些态旁边（离平衡态不远）时这些条件才能满足。因此最小熵产生原理不是普遍适用的。条件才能
30、满足。因此最小熵产生原理不是普遍适用的。33朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学1.非线性非平衡定态稳定性的判据非线性非平衡定态稳定性的判据 在平衡态热力学中在平衡态热力学中 孤立体系中熵是推断体系变更方向及稳定性的状孤立体系中熵是推断体系变更方向及稳定性的状态函数。熵增加原理告知我们孤立体系的自发方向是态函数。熵增加原理告知我们孤立体系的自发方向是熵增大的方向，即熵增大的方向，即 dS/dt 0，变更的终点是稳定的，变更的终点是稳定的平衡态。平衡态。34朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非
31、线性非平衡热力学当非孤立体系处于非平衡线性区时最小熵产生原理告知我们体系的变更方向是熵产生率dP/dt0，这就保证了与外界约束条件相适应的定态也是稳定的。35朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学当非孤立体系处于非平衡非线性区时，超熵产生判据热力学力与流之间的关系更普遍地是非线性的，线性只是近似的。在远离平衡的状况下(非线性区)是否也存在与S和P一样的状态函数作为稳定性判据呢?很长一段时间，人们始终力求把最小熵产生原理推广应用于非平衡热力学的非线性区，但是最终发觉，这种推广是不行能的。当体系远离平衡时，虽然体系仍可发展到某个不随时间变更
32、的定态，但是这个远离平衡的定态的熵产生不确定取最小值。36朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学Prigogin布鲁塞尔学派将相对于参考定态的熵的二级偏离称为超熵，并用来推断参考定态的稳定性。将熵S和熵产生率P在定态旁边绽开为泰勒(Taylor)级数，在满足局域平衡的状况下，可得到：(8)式中S0是参考定态的熵，S是扰动态的熵。超熵的时间导数称为超熵产生（或称超熵产生率）。(9)37朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学这样可以选择超熵产生作为体系定态的稳定性判据。则有：时，体系
33、稳定。时，体系不稳定。时，临界状态。38朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学当，则超熵的值将重新趋于零，这时扰动态将回到参考定态，因此可以说，该参考定态是稳定的。当时，则处于临界稳定态。39朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学当当 时，超熵时，超熵 将越来将越来越负，体系状态将越来越偏离定态，参考定态是不越负，体系状态将越来越偏离定态，参考定态是不稳定的，即非平衡参考定态失稳。对该参考定态的稳定的，即非平衡参考定态失稳。对该参考定态的一个很小的扰动就可使体系越来越偏离这个定态
34、而一个很小的扰动就可使体系越来越偏离这个定态而发展到一个新的状态，这个新的状态可能保持那个发展到一个新的状态，这个新的状态可能保持那个扰动放大了的时空行为，即时空有序结构扰动放大了的时空行为，即时空有序结构耗散结耗散结构。构。40朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学由此可见，在处于远离平衡的放开体系中，通过限制边界条件或其他参量，可使体系失稳并过渡到与原来定态结构上完全不同的新的稳定态。这种建立在不稳定之上的新的有序的稳定结构，是依靠与外界交换物质与能量来维持的。普里高津的布鲁塞尔学派把它叫做耗散结构,耗散结构的存在表明白非平衡是有序
35、之源。41朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学 “超熵产生超熵产生”不是热力学势函数不是热力学势函数 应当指出：熵和熵产生都可以称为热力学势函数。有了应当指出：熵和熵产生都可以称为热力学势函数。有了这两个势函数，不须要考虑动力学过程的具体行为，体系向什这两个势函数，不须要考虑动力学过程的具体行为，体系向什么方向演化就明确了。超熵产生判据取决于动力学过程的具体么方向演化就明确了。超熵产生判据取决于动力学过程的具体行为，行为，“超熵产生超熵产生”不能成为热力学势函数，在非线性区缺乏任不能成为热力学势函数，在非线性区缺乏任何热力学势函数，一
36、个远离平衡的体系将发展到哪个极限状态何热力学势函数，一个远离平衡的体系将发展到哪个极限状态取决于动力学过程的具体行为，体系向什么方向演化就比较难取决于动力学过程的具体行为，体系向什么方向演化就比较难以确定了。以确定了。42朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学在运用超熵产生作为非线性非平衡定态稳定性判据时，它的计算必需沿着扰动的具体路径进行，必需利用表示变更过程的特定动力学方程。因此，对非线性非平衡态的探讨必需把热力学和动力学分析结合起来。此外，目前对布鲁塞尔学派的理论还存在一些争论。43朱志昂会会议报告告NankaiUnversity
37、主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学2.自组织现象自组织现象 自然界普遍存在着自组织现象，例如自然界普遍存在着自组织现象，例如:(1)很多只在初始位置上杂乱无章（无序）的大很多只在初始位置上杂乱无章（无序）的大雁按确定规则聚集而成一行（有序），这是一种自组雁按确定规则聚集而成一行（有序），这是一种自组织现象织现象;44朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学(2)生物（如人）的生长发育，是从少数细胞起先的，发展成各种困难有序的器官，如人的大脑就是由多约一千亿个神经细胞组成的极精密极有序的装置；即使细胞，也是一个由数目惊人的原子
38、组成的极有序结构，它至少含有一个脱氧核糖核酸（DNA）或其近亲核糖核酸（RNA）分子，每个这样的分子由约108到1010原子组成；(3)某一区域活动的很多蚂蚁，在确定条件下会不谋而合地向某一位置聚集。45朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学(4)达尔文认为，地球上的生物都是经过漫长的年头，由简洁到困难，由低级到高级或者说由较为有序向更加有序发展而成的，如人是由灵长类动物进化而来的。马克思认为，人类社会也是渐渐由低级向高级，向更加完善更加有序的阶段发展的。生物学家和社会学家关于发展的这种观点与二十世纪前物理学家的观点迥然不同。46朱志昂
39、会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学物理学家认为，体系要么不会发生什么变更，要么物理学家认为，体系要么不会发生什么变更，要么是从有序向无序演化（热力学其次定律）。长期以是从有序向无序演化（热力学其次定律）。长期以来，这两种观点和平共处，互不侵扰。物理学家和来，这两种观点和平共处，互不侵扰。物理学家和生物学家及社会学家都认为，生命以及社会现象和生物学家及社会学家都认为，生命以及社会现象和非生命现象是由不同的规律支配的，它们之间隔着非生命现象是由不同的规律支配的，它们之间隔着一条不行逾越的鸿沟。一条不行逾越的鸿沟。47朱志昂会会议报告告Nank
40、aiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学但现代科学探讨表明，在非生物界，也存在大量从无序演化为有序的自组织现象。天空中毫无规则的云，有时会形成整齐的鱼鳞状或带状；水汽在高空凝合成规则的六角形雪花；火山岩浆有时会形成特别有规则的环状或带状结构；太阳系的九颗行星构成一个动态的特别有序的结构。在试验室中有分子自组装、超分子体系、一维、二维、三维纳米材料等。48朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学3.耗散结构耗散结构(dissip ative structures)(1)耗散结构耗散结构 普里高津在非平衡热力学体
41、系的线性区的探讨普里高津在非平衡热力学体系的线性区的探讨的基础上又探究了非平衡热力学体系在非线性区的演的基础上又探究了非平衡热力学体系在非线性区的演化特征。化特征。49朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学在探讨偏离平衡态热力学体系时发觉，当体系离开平衡态的参数达到确定阈值时，体系将会出现“行为临界点”，在越过这种临界点后体系将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态。若将体系推向离平衡态更远的地方，体系可能演化出新的稳定有序结构。普里高津将这类稳定的有序结构称作“耗散结构”。并在1969年提出了关于远离平衡状态
42、的非平衡热力学体系的耗散结构理论。50朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学A.贝纳特对流试验贝纳特对流试验 耗散结构典型的例子是贝纳特于耗散结构典型的例子是贝纳特于1900年发觉年发觉的对流有序现象一贝纳特流。在一扁平容器内充的对流有序现象一贝纳特流。在一扁平容器内充有一薄层液体，液层的宽度远大于其厚度，从液有一薄层液体，液层的宽度远大于其厚度，从液层底部匀整加热，液层顶部温度亦匀整，底部与层底部匀整加热，液层顶部温度亦匀整，底部与顶部存在温度差。当温度差较小时，热量以传导顶部存在温度差。当温度差较小时，热量以传导方式通过液层，液层中
43、不会产生任何结构。方式通过液层，液层中不会产生任何结构。51朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学52朱志昂蜂窝状贝纳特花纹图案蜂窝状贝纳特花纹图案但当温度差达到某一特定值但当温度差达到某一特定值时，液层中自动出现很多六时，液层中自动出现很多六角形小格子，液体从每个格角形小格子，液体从每个格子的中心涌起、从边缘下沉，子的中心涌起、从边缘下沉，形成规则的对流。从上往下形成规则的对流。从上往下可以看到贝纳特流形成的蜂可以看到贝纳特流形成的蜂窝状贝纳特花纹图案。这种窝状贝纳特花纹图案。这种稳定的有序结构称为耗散结稳定的有序结构称为耗散结构。构
44、。会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学B.化学振荡反应化学振荡反应 类似的有序结构还出现在流体力学、化学反类似的有序结构还出现在流体力学、化学反应应(例如化学振荡反应例如化学振荡反应)以及激光等非线性现象中。以及激光等非线性现象中。例如例如BZ化学振荡反应。下图是此反应在一充分化学振荡反应。下图是此反应在一充分搅拌的间歇釜式反应器中进行时，试验视察到的搅拌的间歇釜式反应器中进行时，试验视察到的 和和 随时间的振荡曲线。随时间的振荡曲线。53朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学54朱
45、志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学当在反应体系中加入氧化还原指示剂邻菲咯啉时，这种振当在反应体系中加入氧化还原指示剂邻菲咯啉时，这种振荡能够显示红色荡能够显示红色(Ce3+)和蓝色和蓝色(Ce4+)的周期性变更。假如的周期性变更。假如该反应只是在试管中进行，那么颜色的变更在持续一段时该反应只是在试管中进行，那么颜色的变更在持续一段时间（大约几分钟）后就会停止。假如将反应支配在特制的间（大约几分钟）后就会停止。假如将反应支配在特制的反应器中进行，不断注入反应物、移出产物，可使颜色的反应器中进行，不断注入反应物、移出产物，可使颜色的变更维
46、持下去形成变更维持下去形成“化学钟化学钟”。55朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学(2)建立耗散结构的条件建立耗散结构的条件 耗散结构理论指出，体系从无序状态过渡到这种耗散耗散结构理论指出，体系从无序状态过渡到这种耗散结构有几个必要条件结构有几个必要条件:A.产生耗散结构的体体系包含有大量的体系基元甚至多层次产生耗散结构的体体系包含有大量的体系基元甚至多层次的组分。贝纳特效应中的液体包含大量分子。贝洛索夫的组分。贝纳特效应中的液体包含大量分子。贝洛索夫恰鲍廷斯基化学振荡反应，其中不仅含有大量分子原子恰鲍廷斯基化学振荡反应，其中不仅含
47、有大量分子原子和离子，并且有很多化学成分。和离子，并且有很多化学成分。B.体系必需是开放的，即体系必需与外界进行物质、能量的体系必需是开放的，即体系必需与外界进行物质、能量的交换。交换。56朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学C.体系须是远离平衡状态的，体系中物质、能量流和热力学体系须是远离平衡状态的，体系中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；力的关系是非线性的；D.在产生耗散结构的体系中，基元间以及不同的组分和层次在产生耗散结构的体系中，基元间以及不同的组分和层次间通常存在着错综困难的相互作用，其中尤为重要的是正间通常存在着错综
48、困难的相互作用，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，是大的机制，是“序序”产生的重要因素，而非线性可以使体系产生的重要因素，而非线性可以使体系在热力学分支失稳的基础上重新稳定到耗散结构分支上，在热力学分支失稳的基础上重新稳定到耗散结构分支上，并且须要不断输入能量来维持。并且须要不断输入能量来维持。57朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学(3)耗散结构理论的应用耗散结构理论的应用 在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，在平衡态和近平衡
49、态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大而达到有序。但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大而达到有序。远离平衡态的开放体系通过涨落，在越过临界点后远离平衡态的开放体系通过涨落，在越过临界点后“自组织自组织”成成耗散结构，耗散结构由突变而涌现，其状态是稳定的。耗散结耗散结构，耗散结构由突变而涌现，其状态是稳定的。耗散结构理论指出，开放体系在远离平衡状态的状况下可以涌现出新构理论指出，开放体系在远离平衡状态的状况下可以涌现出新的结构。的结构。58朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学依据耗散结构理论，
50、化学振荡现象根本不违反热力学其次定律。自此以后，化学振荡现象以及其他非平衡非线性化学现象的探讨取得了飞速的发展。和化学振荡现象相类似，生命现象曾长期被认为是不能用热力学其次定律说明的为生命体所特有的现象。从19世纪中叶起先，科学上就有所谓的达尔文和克劳修斯的冲突进化和退化的冲突。耗散结构至少从原则上解决了这一冲突。59朱志昂会会议报告告NankaiUnversity主讲人：三、非线性非平衡热力学非线性非平衡热力学地球上的生命体都是远离平衡状态的非平衡的开放系统，它们通过与外界不断地进行物质和能量交换，经自组织而形成一系列的有序结构。可以认为这就是说明生命过程的热力学现象和生物的进化的热力学理论