生命生態(tài)的熱力學基礎專題課件

一、線性系統(tǒng)與線性規(guī)律1．線性系統(tǒng)：

外界對系統(tǒng)的作用、影響與系統(tǒng)呈現(xiàn)的結(jié)果、響應之間具有線性可加性和齊次性，即輸入之和的輸出等于各個輸入所得的輸出之合，系統(tǒng)整體的功能是各部分功能之合，動力學方程不同解的和仍然是方程的解。線性不可逆過程熱力學過程一、線性系統(tǒng)與線性規(guī)律1．線性系統(tǒng)：外界對系統(tǒng)的作用、1線性系統(tǒng)有如下性質(zhì)：

首先它表現(xiàn)在系統(tǒng)的量在空間分布上均勻，其次表現(xiàn)在系統(tǒng)各要素之間相互作用的權重在時間、空間上均勻。例如，一根線性彈簧的恢復力與被拉伸長度之比不隨時空而變，其圓頻率ω為常數(shù)，即是均勻的。(1)均勻性：線性系統(tǒng)有如下性質(zhì)：首先它表現(xiàn)在系統(tǒng)的量在空2

線性系統(tǒng)的線性可加性在物理上又稱為獨立性疊加原理:即部分之和等于整體。兩個不同因素的組合作用等于每個因素單獨作用的簡單疊加，遵守線性疊加原理。動力學方程的不同解加起來仍然是方程的解。如牛頓力學成立的系統(tǒng)稱線性系統(tǒng)滿足獨立疊加性。(2)獨立性：(2)獨立性：3

線性系統(tǒng)中將時間T反轉(zhuǎn)變?yōu)門=-T，那么將沿同一軌跡回到原狀態(tài)，例如牛頓第二定律，F(xiàn)=ma，如果T=-T，它的形式是不變的，將沿原運動的逆運動運行。（3)可逆性：線性系統(tǒng)中將時間T反轉(zhuǎn)變?yōu)門=-T，那么將沿同一軌跡回到4

線性系統(tǒng)變化過程的動力學因果關系呈現(xiàn)出線性變化的關系。

如單擺在

條件下可稱為線性系統(tǒng)，其動力學方程為2．線性規(guī)律線性系統(tǒng)變化過程的動力學因果關系呈現(xiàn)出線性變化的關系5二、近平衡態(tài)的非平衡過程一維：沿z方面存在不均勻，二、近平衡態(tài)的非平衡過程一維：沿z方面存在不均勻，6三維情況：三方面同時存在不均勻性。

1931年昂薩格從一般的角度分析，定義了通量

和動力

概念。單位時間內(nèi)通過單位截面所輸運的物理量：引起物理量的輸運的物質(zhì)某種特性的梯度三維情況：三方面同時存在不均勻性。1931年昂薩格從一7

單一過程：復合過程：

動力的存在，產(chǎn)生通量，而通量又通過熱量、物質(zhì)、定向動量和電荷的遷移使動力減小，從而使系統(tǒng)趨向空間結(jié)構均勻，無序度增加，不可區(qū)分性增加，熵增大。單一過程：復合過程：動力的存在8非線性不可逆過程熱力學過程一、非線性系統(tǒng)與非線性規(guī)律1．非線性系統(tǒng)

系統(tǒng)整體功能不等于各部分功能之和，輸入之和的輸出不等于輸入的輸出之合，獨立疊加原理實效，不同解之和不再是方程的解。

非線性系統(tǒng)內(nèi)各部分相互作用復雜，相互協(xié)同作用會產(chǎn)生超出僅僅是量的疊加的東西。非線性不可逆過程熱力學過程一、非線性系統(tǒng)與非線性規(guī)律1．非線9按照內(nèi)部相互作用的不同分為三種情況：

整體大于部分之和：系統(tǒng)各部分間反饋、散逸

整體小于部分之和：系統(tǒng)各部分間沖突、拮抗

整體等于部分之和：系統(tǒng)各部分間相互孤立按照內(nèi)部相互作用的不同分為三種情況：102．非線性規(guī)律

非線性系統(tǒng)變化過程的動力學因果關系呈非線性關系。

線性與非線性的比較：(1)非線性是對正比關系的偏離。線性關系是“水漲船高”，非線性才能反映“過猶不及”、“一波三折”；（2）線性關系是互不相干獨立貢獻，而非線性則是相互作用；(3)線性不會引發(fā)突變，非線性引發(fā)突變。2．非線性規(guī)律11二、遠離平衡態(tài)的非平衡過程

輸運過程中系統(tǒng)由非平衡態(tài)變化到平衡態(tài)，系統(tǒng)達到最無序最不可區(qū)分的狀態(tài)，熵至最大值。但在人類社會是另一番景象，物種進化由簡單到復雜，由低級到高級，有序化程度增加。在無生命領域內(nèi)，也存在著許多自發(fā)形成的宏觀有序現(xiàn)象。

貝納德實驗呈現(xiàn)的空間結(jié)構性。

化學振蕩（溴酸鉀、丙二酸、硫酸銻混合于硫酸中，顏色在紅色與蘭色之間震蕩）所呈現(xiàn)的時間結(jié)構性。二、遠離平衡態(tài)的非平衡過程輸運過程中系統(tǒng)由非平衡態(tài)變12貝納德實驗呈現(xiàn)的空間結(jié)構性貝納德實驗呈現(xiàn)的空間結(jié)構性131．自組織現(xiàn)象與耗散結(jié)構自組織現(xiàn)象：

系統(tǒng)在一定條件下，自動地組織起來形成空間或時間上的有序狀態(tài)。耗散結(jié)構：

1969年比利是物理學家普里高津把在非平衡態(tài)下產(chǎn)生的時間或空間上的有序結(jié)構。1．自組織現(xiàn)象與耗散結(jié)構14形成和維持耗散結(jié)構的條件：（1）系統(tǒng)為開放系統(tǒng)，靠外界不斷供給能量和物質(zhì)才能維持；（2）體系必須存在非線性動力系統(tǒng)，即發(fā)生在遠離平衡態(tài)的情況下；（3）系統(tǒng)具有時空結(jié)構，對稱性低于耗散結(jié)構發(fā)生前的時空均勻狀態(tài)；（4）耗散結(jié)構穩(wěn)定，不受小擾動的破壞。形成和維持耗散結(jié)構的條件：152．耗散結(jié)構與熵的關系

耗散結(jié)構無序度低，系統(tǒng)熵小，形成耗散結(jié)構的過程中系統(tǒng)熵變小于零，而熵變由兩部分組成

是耗散過程中系統(tǒng)內(nèi)的熵增加（不可逆性導致的）而2．耗散結(jié)構與熵的關系是耗散過程中系統(tǒng)內(nèi)的熵增加16生命生態(tài)的熱力學基礎專題課件17生命的熱力學基礎生命的熱力學基礎18

1944年量子力學創(chuàng)立人薛定額在小冊子《生命是什么？》中指出

：

“生命體依賴負熵為生”從物理學熵角度認識生命體，由生態(tài)環(huán)境的熵表現(xiàn)了解人類的生存狀態(tài)，從而增強環(huán)保意識。1944年量子力學創(chuàng)立人“生命體依賴負熵為19一、生命體的熵一、生命體的熵20細胞分化、組織器官功能形成并增加熵可描述任何由大量原子分子組成的宏觀系統(tǒng)，其中包括生命體。孕育、發(fā)育、成長生命體熵減小！重病、衰竭、死亡細胞老化、組織器官功能降低并消失生命體熵增加！細胞分化、組織器官功能形成并增加熵可描述任何由21熵不斷增加

高熵意味著細胞排列混亂無序、意味著死亡，生命體必須使自己保持低熵狀態(tài)。生命活動：發(fā)酵勞作生活學習耗散過程熵不斷增加高熵意味著細胞排列混亂無序、意味著22生命體食物、水低熵能量分泌物、排泄物高熵能量負熵機制“生命體依賴負熵為生”生命體食物、水低熵能量分泌物、排泄物高熵能量負熵機制“生命體23

正如生命體的維護需要負熵一樣,地球生態(tài)環(huán)境的維護，也需要負熵，生命體的負熵來自于食物，而生態(tài)環(huán)境的負熵來自于哪里？

來自于太陽！二、熵與生態(tài)環(huán)境正如生命體的維護需要負熵一樣,地球生態(tài)來自于24光合作用

地球綠色植物正是利用太陽能進行光合作用從而產(chǎn)生低熵高能碳水化合物。

葡萄糖根據(jù)反應的溫度、吸熱放熱量光合作用地球綠色植物正是利用葡萄糖根據(jù)反25

光合作用的產(chǎn)物不僅是糖類，還有氨基酸、脂肪，都是低熵物質(zhì)。

生態(tài)環(huán)境的負熵流

人類需要的負熵流為多兩個數(shù)量級，應該很充足吧？光合作用的產(chǎn)物不僅是糖類，還有氨基酸、脂肪，都26食物鏈:綠色植物草食動物初級肉食動物頂級肉食動物生態(tài)環(huán)境具有負熵,但不寬裕!!食物鏈:綠色植物草食動物初級肉食動物頂級肉食動物生態(tài)環(huán)境具有27三、對人口及生態(tài)問題的思考人類——對環(huán)境正熵提供者