熵耗散结构理论与教学.doc

毕业论文（设计） 题 目： 熵、耗散结构理论与教学 学 号： 06110701030 姓 名： 祁 麟 系 别： 物理系 专业班级： 07级物理本科班 指导教师： 刘 云 完成时间： 2011年4月11 日 毕节学院教务处印制 目 录 1、熵、耗散结构 1 1.1、熵 1 1.2、耗散结构 2 2、熵与教学 3 3、耗散结构与教学 4 4、结论 6 参考文献 7 致 谢 8 熵、耗散结构理论与教学 专业班级：07物理本 姓名：祁麟 摘 要: 将热力学中的熵、耗散结构理论与教学相接合。据熵增原理，课堂教学中学习者会因为很多不确定的因素而失去本来应学到的知识，此原理恰能反映这个现象的本质。而耗散结构原理的涨落现象为教学系统的决策者和工作者提供了一种新的思路。 关键词: 熵；耗散结构；涨落；教学 Abstratc： Combine the theories of entropy and dissipative structure in thermodynamitics with teaching. Entropy increasing principle unveils the essence of the phenomenon that learners in classroom will lose some knowledge that should be acquired because of many uncertainties.And the fluctuation of dissipative structure theory provides a new thinking way for the policymakers and workers of teaching system. Key words： Entropy; The theory of dissipative structure; Fluctuation; teaching 1、熵、耗散结构 1.1、熵 1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯首次提出熵的概念[1]，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热量就会以下面所说的方式流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意可逆循环过程都都适用的一个公式[2]： （1） 其中Q为热量，T为绝对温度。 对于绝热过程，故，即系统的熵在可逆绝热过程中不变，在不可逆绝热过程中单调增大，这就是熵增加原理。由于孤立系统内部的一切变化与外界无关，必然是绝热过程，所以熵增加原理也可表为：一个孤立系统的熵永远不会减少。它表明随着孤立系统由非平衡态趋于平衡态，其熵单调增大，当系统达到平衡态时，熵达到最大值。熵的变化和最大值确定了孤立系统过程进行的方向和限度，熵增加原理就是热力学第二定律。 1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼在研究分子运动统计现象的基础上提出来了公式： ln （2） 其中，为系统分子的状态数，为玻尔兹曼常数。 这个公式反映了熵函数的统计学意义，它将系统的宏观物理量Ｓ与微观物理量Ω联系起来，成为联系宏观与微观的重要桥梁之一。基于上述熵与热力学几率之间的关系，可以得出结论：系统的熵值直接反映了它所处状态的均匀程度，系统的熵值越小，它所处的状态越是有序，越不均匀；系统的熵值越大，它所处的状态越是无序，越均匀。系统总是力图自发地从熵值较小的状态向熵值较大（即从有序走向无序）的状态转变，这就是隔离系统“熵值增大原理”的微观物理意义。 无论微观的玻耳兹曼熵还是宏观的克劳修斯熵，它们都是一致的，它们都正比于观状态热力学概率的对数，自然界过程的自发倾向总是从概率小的宏观状态向概率大的宏观状态过渡。在克劳修斯提出热力学熵后的140余年间熵得到了极广泛的发展的应用。香农熵提出后，熵的概念全面进入信息科学、社会科学、生命科学、宇宙科学等各个领域，对科学的发展、社会的进步均起到了积极的推动作用[3,4] 。 1.2、耗散结构 耗散结构理论的创始人是伊里亚·普里高津教授，由于对非平衡热力学尤其是建立