化学研究中的耗散结构理论方法
化学先生 / 2019-08-20
19世纪的化学和物理学主要侧重于研究平衡态，例如溶解平衡、电离平衡、化学反应平衡水解平衡、络合物平衡等,对平衡常数的计算也研究得比较深人。但对于非平衡态则研究得很不够.除了热力学第二定律给出了孤立系统自发地达到热平衡这一不可逆过程之外,没有更多的发展。但是这个不可道过程却把历史过程带进了物理化学。在经典的物理学和化学中,时间是可逆的,用负T代替正T以后，方程不变,热力学第二定律中,却出现了时间箭头，所以，化学热力学运动是有历史的，这个历史是朝着热平衡、无序化演进的。19世纪的生物学中，也有个时间箭头。进化论提出:生物随着时间的演进,由低级到高级、由简单到复杂、由无序到有序发展。这样,物理化学与生物学之间对于进化与退化的认识，就发生了尖锐的矛盾。为解决这一矛盾，比利时布鲁塞尔学派的学术带头人普利高津，做了大量的研究工作，最终创立了耗散结构理论。
所谓耗散结构是指远离平衡的开放稳定有序的物质系统。耗散结构理论回答了开放系统如何从无序走向有序的过程和机制。这一理论方法对于解释和说明化学变化与化学过程的机制有着极为普遍的意义,所以被授予诺贝尔化学奖。
普利高津首先考察了不同系统在远离平衡状态时的不可逆过程,发现这种过程与平衡和近平衡过程具有十分不同的图像。在研究系统远离平衡的状态时，贝纳德对流提供了一个典型的图像:一层流体，如果上下各与一个恒温热源板相接触，当下板温度高时.就形成个温度梯度和定向热传导,不断增大两极的温差，就会把系统推向越来越远离热平衡状态:当温差达到一定阈值时，系统就由原来的热传导状态进人对流状态即从原来无序的热运动状态进人十分有组织的宏观流动状态。这时，如从上面观察.就会发现液体内出现+分有规则的六角形对流元胞,形成一种稳定有序的宏观结构，这个系统是通过从下板到上板的液体对流输运来进行能量耗散的。通过理论研究和大量实例的考察，普利高津发现，在力学、物理学、化学和生物学中的不可逆过程。在开放体系的耗散中，系统存在着从简单到复杂、从无序到有序、从对称到破缺的进化过程这种过程在不违背热力学第二定律的前提下，可以和生物学进化论揭示的方向一致。这样，热力学第二定律推演的所谓“热死论”的观念就被修正了。
耗散结构概念是与平衡结构概念相对应而建立起来的。普利高津在他第一前论达耗胶结构的论文中就明确指出两种结构的差异他说:“平衡结构不进行任何能量和物质的交换就能维持。晶体就是平衡结构。“反之“耗胶结构只有通过与外界交换能量(在某些精况下也交换物质)才能维持，一个非常简单的例子是热扩散电池，其浓度梯度由能量维持着简言之，平衡结构是一种”死结构，耗胶结构则是有进有出的“活结构”.普利高津认为，形成耗散结构的系统必须具备以下四个条件:
⑴形成耗胶结构的系统必须是一个开放系统。 这个开放系统要通过耗散引进负嫡流，以抵消内部的熵产生.从而才有可能形成有序结构。
(2)形成耗散结构的系统应当是个远离平 衡的系统。平衡系统和近平衡系统,根据热力学第二定律，熵只能趋于极大，最后达成无序状态的热平衡。系统只有在远离平衡的条件下,才有可能在一定的条件 下产生新的有序结构。
(3)系统内各种要素间必须存在着非线性的相互作用，系统才能出现耗散机制。正如普利高津指出的:“形成耗散结构必需的另一个基本特性是在系统的各种元素之间的相互作用中,存在着种非线性的相互作用。”
(4)系统从无序走向有序的演化是通过随机涨落来实现的。正如普利高津指出的:“在耗散结构里，在不稳定之后出现的宏观有序是由涨落中最快的涨落决定的，因此这个新型的有序叫做通过涨落的有序。”
耗散结构理论提出的这些条件和思想方法，有十分普遍的意义，对化学理论方法是一个杰出的贡献。它不仅解释了像"化学钟”这种复杂问题的机制，而目对诸如过冷溶液的凝固、过饱和溶液晶体的析出等物理化学过程都能做出精确的说明。严格来说，化学反应体系、化工生产体系等都是开放系统，从广义上我们也可以近似地把这些体系视为耗散结构,可以用耗散结构的理论方法加以研究。
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