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四、 热力学过程 1.平衡态热力学（经典热力学) 主要研究平衡态的性质 2.线性非平衡态热力学(近平衡态热力学） 偏离平衡态很小的系统称为近平衡系统
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di S 普里高津指出：近平衡系统 dt
取最小值
--- 最小熵产生原理
这说明近平衡态是稳定的 对于近平衡系统 只要外界作用不变 即使系统内有涨落 仍会回到原非平衡定态 而不可能出现自组织现象
----生命的热力学基础
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(碳水化合物 净水)
开放系统
(CO2 污水 排泄物等)
物质
(化学能)能量
有 机 体
物质 能量(功 热) 正熵
负熵
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小结：
有机物 必须是开放系统
和周围环境有物质和能量交换 维持低熵状态 摄入低熵物质 排出高熵物质
动物 要吃低熵食物
低熵高能食物----如碳水化合物 低熵低能食物----净水
稳定的 热力学分支 (a)
(b)
不稳定的 热力学分支 稳定的 耗散结构分支
C
(C )
（稳定的非平衡态） （对应某种时空有序状态）
λ0
λC
28 控制参量
从物理学的角度看 治疗的目的在于消除积熵
薛定谔说：生命赖负熵以存在
玻耳兹曼说：生物为了生存而作的一般斗争
既不是为了物质 也不是为了能量
而是为了熵而斗争
生物从外界吸收负熵
是以更大范围的熵增为代价的
8
四、熵与信息
香农：信息是事物肯定程度的量度 熵增等于信息的减少 信息与负熵等效 信息的获得意味着各种可 能性中概率分布的集中 信息熵
能量退化
退化
孤立系统朝均匀 简单 消除差异的方向发展
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2. 按达尔文进化论
生物由单细胞
进化
人 (极为有序)
越来越复杂 越来越有序 (熵减少)
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二、 自组织现象 1.自组织现象
在一定外界条件下 系统内部
自发地由无序 有序的现象 无生命和有生命世界 都有自组织现象(变为有序) 时间有序 (候鸟迁徙)
S k ln P k 1 ln 2
对某种事物作出完全判断所缺的信息量
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五、 熵与社会 可持续发展
环保
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*§5 耗散结构
一、 问题的提出
二、 自组织现象
三、 孤立系统 开放系统
四、 热力学过程
五、 涨落导致有序 六、 高级分支和混沌状态
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一、 问题的提出
退化与进化
1.按克劳修斯热力学理论 初态 有序 非平衡 → → → 末态 无序 平衡 熵增加
§4 熵概念的推广
一、 熵与能量
二、 熵与时间 三、 熵与生命 四、 熵与信息 五、 熵与社会
1
一、熵与能量
热律： 能量守恒 热律： 能量转化能力 转化过程不可逆 一部分能量不能再作功 --能量退化
2
对热律深入认识
A)能量退化角度认识
孤立系统内发生的自发过程
空间有序 (蜂窝 毛皮花纹)
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2. 耗散结构-----自组织形成的有序结构
自组织现象是自发进行的 但
需外界提供触发条件
耗散外界的能量 质量
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三、 孤立系统 开放系统
热力学第二律的普遍形式
1. 孤立系统 (和外界无能量和物质的交换)
自发过程： 有序 无序 内部不可逆过程引起的熵变-----熵产生 di S
de S
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开放系统总熵变：dS d i S d e S
1)若 deS < 0 (负熵流)
且| deS| > di S(0 )
负熵流可使开放系统熵减少 变得更有序 实现自组织 2)若 deS > 0 (正熵流) 系统更混乱
若为正熵流 则系统不会实现自组织
18
3.热二律的普遍形式 开放系统
必然导致能量的退化 B)熵的角度认识 孤立系统 … 导致熵的增加 熵是能量不可用程度的量度
能量危机 就是熵的危机
3
二 、熵与时间
1. 时间反演的对称性
物理学中很多领域
时间本质上都在描述可逆过程
从现在可知过去 也可知道未来
2.自然界存在的基本不对称性 热现象不具有时间反演对称性
4
数学家 史蒂芬指出：
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3.非线性非平衡态热力学（远离平衡态热力学） 外界的影响强烈 引起系统状态的变化 已不是简单的线性关系
有其自己特有的规律 就有可能出现自组织现象
下面用图线来表示以上的三种情况
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表 征 定X 态 的 某 个 参 量 平 衡 X0 态
分叉现象
偏离平衡 的线性区 远离平衡的非线性区
(C ) 稳定的 耗散结构分支
d e S 熵流 外界(可正 可负 可零)
6
如果 d e S < 0 称负熵流
生长阶段
d e S > d i S 有序度增加 从一种
dS < 0 有序到更高级的有序
成熟阶段
de S di S
dS 0
衰亡阶段
de S < di S
维持一种有序 有序度下降
生物系统在短期内或
dS > 0
局部熵积累过多 病态 7
至少存在三个时间箭头 将过去和将来分开 热力学箭头 心理学箭头 宇宙学箭头 无序度增加的时间方向 只能记住过去 宇宙膨胀
三个箭头所指方向一致
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三、熵与生命
热律：孤立系统 无序度增加 熵增加 但生物进化过程：成长过程有序度增加
开放系统： dS d S d S e i
d i S 熵产生 内部(恒为正)
由熵增加原理
外界
孤立系统
di S 0
di S
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2. 开放系统 (和外界有能量和物质的交换) 实现自组织现象系统必须开放 熵变 di S (系统熵产生)
de S (与外界交换能量和物质引起的熵变 ) ----熵流 de S 可 < 0 (负熵流)
外界 系统
=0
> 0 (正熵流)
di S
普里高津(I.Prigoging 比利时) 1967年 提出耗散结构 1977年 获 Nobel Prize (化学〕 耗散结构打开从
物理科学 生命科学 的窗口
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•生命过程---耗散过程
高熵---混乱 热平衡----死亡
要活着---身体保持低熵状态
•薛定谔：生命是什么? “生命之所以能存在，就在于从环境 中不断得到 ‘负熵’” “有机体是依赖负熵为生的 ”
∴
d S de S
dS di S de S
di S dS de S
经历任何过程 要求 di S > 0
系统的熵变永不小于熵流
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开放系统的熵可增 可减
开放系统自外界吸取能量 即输入负熵
对孤立系统 deS = 0
dS = di S 0
(回到原来的热二律)
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4.生命过程