简单巨系统精选文档.ppt
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1、简单巨系统简单巨系统本讲稿第一页,共三十四页简单系统与简单巨系统简单系统与简单巨系统熵熵简单巨系统的基本概念简单巨系统的基本概念系统演化的分析方法系统演化的分析方法简单巨系统理论的应用简单巨系统理论的应用简单巨系统是研究其他巨系统的基础。自组织理论是其研究工具。简单巨系统是研究其他巨系统的基础。自组织理论是其研究工具。2023/4/12本讲稿第二页,共三十四页一、简单系统与简单巨系统一、简单系统与简单巨系统 指不需要分层次或仅有一个层次的系统。用牛顿力学理论(叠加原理)指不需要分层次或仅有一个层次的系统。用牛顿力学理论(叠加原理)来讨论的系统即是简单系统,判断简单系统的主要标准。应着重在以下方
2、面来讨论的系统即是简单系统,判断简单系统的主要标准。应着重在以下方面理解简单系统理论:理解简单系统理论:(1)简单系统是一个模型。可以包括从宇宙天体系统到微观原子系统在简单系统是一个模型。可以包括从宇宙天体系统到微观原子系统在内的一大类系统。内的一大类系统。(2)简单系统看重分析方法与思想。不在于子系统数量的多少。简单系统看重分析方法与思想。不在于子系统数量的多少。(3)简单系统的子系统与系统之间满足叠加原理。简单系统的子系统与系统之间满足叠加原理。(4)简单系统没有层次概念。简单系统没有层次概念。1、简单系统、简单系统2023/4/13本讲稿第三页,共三十四页现实中简单系统很少。可以简化成简
3、单系统的条件:现实中简单系统很少。可以简化成简单系统的条件:(1)子系统之间非线性作用微弱;子系统之间非线性作用微弱;(2)子系统之间关系只发生在两两之间,不涉及第子系统之间关系只发生在两两之间,不涉及第3个子系统。个子系统。一个简单系统可以得到对系统状态描述完全确定性的结果,不存在演化,是一个简单系统可以得到对系统状态描述完全确定性的结果,不存在演化,是完全静止的。完全静止的。简单巨系统比简单系统复杂,但仍然是一种理论模型。简单巨系统比简单系统复杂,但仍然是一种理论模型。简单巨系统内子系统之间的相互作用通常是已知的、确定的,可简单巨系统内子系统之间的相互作用通常是已知的、确定的,可以用确定的
4、规律来描述各子系统之间的作用。以用确定的规律来描述各子系统之间的作用。但各子系统之间的作用规律是非线性的,系统的整体性质不能从子系统但各子系统之间的作用规律是非线性的,系统的整体性质不能从子系统叠加得到,会叠加得到,会“涌现涌现”新的性质。这是与简单系统的根本差别。新的性质。这是与简单系统的根本差别。2、简单巨系统、简单巨系统2023/4/14本讲稿第四页,共三十四页简单巨系统也出现层次的概念。至少可以分成两个层次,即系统层次和简单巨系统也出现层次的概念。至少可以分成两个层次,即系统层次和子系统层次,两个层次之间不存在叠加原理。不同层次上对系统演化描述是子系统层次,两个层次之间不存在叠加原理。
5、不同层次上对系统演化描述是不同的。如热力学系统,在系统层次通常采用温度、压强、体积等物理量,不同的。如热力学系统,在系统层次通常采用温度、压强、体积等物理量,而在子系统层次则用分子的动能、速度等物理量。而在子系统层次则用分子的动能、速度等物理量。简单巨系统不再适用叠加原理,其两个层次之间的物理量不能通简单巨系统不再适用叠加原理,其两个层次之间的物理量不能通过叠加原理得出,通常需在各层次上独立分析,得到结果。过叠加原理得出,通常需在各层次上独立分析,得到结果。2023/4/15本讲稿第五页,共三十四页二、熵二、熵简单巨系统的基本概念简单巨系统的基本概念 熵:衡量子系统对系统总体性质的贡献大小的物
6、理量。熵:衡量子系统对系统总体性质的贡献大小的物理量。通过对熵概念发展历史的了解和熵物理量性质的认识,给出简单巨系通过对熵概念发展历史的了解和熵物理量性质的认识,给出简单巨系统熵的定义和性质。统熵的定义和性质。在热力学中熵是热力学系统演化过程中不可逆性的一个度量:在在热力学中熵是热力学系统演化过程中不可逆性的一个度量:在孤立的热力学系统孤立的热力学系统(热力学第二定律热力学第二定律)中,自发演化过程中熵不可能减少,中,自发演化过程中熵不可能减少,系统最终达到熵最大的状态。演化中,两个状态之间熵变化的具体数值,由系统最终达到熵最大的状态。演化中,两个状态之间熵变化的具体数值,由联系两个状态之间可
7、逆等温过程中系统吸收的热量除以温度的商值表示:联系两个状态之间可逆等温过程中系统吸收的热量除以温度的商值表示:1、波尔兹曼、波尔兹曼(L.Boltzman)熵熵这是熵最初的概念和性质。是描述系统状态的量,以系统状态之这是熵最初的概念和性质。是描述系统状态的量,以系统状态之间的差值表示。间的差值表示。2023/4/16本讲稿第六页,共三十四页 Boltzman在统计物理学中讨论由大量微观粒子组成的系统,通过平在统计物理学中讨论由大量微观粒子组成的系统,通过平衡态的衡态的热力学第一定律热力学第一定律,在给定了熵的零点值后,得到系统某个宏观状,在给定了熵的零点值后,得到系统某个宏观状态的熵值态的熵值
8、S,其表达式为:,其表达式为:kB为波尔兹曼常量,为波尔兹曼常量,W为宏观状态下对应系统的微观状态数。热力学为宏观状态下对应系统的微观状态数。热力学系统的一种微观状态就是分子的一种分布排列。系统的一种微观状态就是分子的一种分布排列。对于系统某一宏观状态而言,其包含的微观状态数量多,系统宏观状态对于系统某一宏观状态而言,其包含的微观状态数量多,系统宏观状态的熵就高,表明其混乱程度大。的熵就高,表明其混乱程度大。系统不同的状态对应不同的熵值,熵值大小与演化过程无关。统计物系统不同的状态对应不同的熵值,熵值大小与演化过程无关。统计物理熵仅适用于平衡态,因平衡态下的物理量如温度、压强等才有意义。理熵仅
9、适用于平衡态,因平衡态下的物理量如温度、压强等才有意义。2023/4/17本讲稿第七页,共三十四页 一个处在非平衡态的系统,熵等于其各个局部分别处在各自平衡态一个处在非平衡态的系统,熵等于其各个局部分别处在各自平衡态上的熵之和。上的熵之和。两个要求:两个要求:(1)系统的各个局部处在平衡态;系统的各个局部处在平衡态;(2)系统满足叠加原理,即系统满足叠加原理,即每个局部在构成系统时满足,而不是子系统满足。每个局部在构成系统时满足,而不是子系统满足。信息论将信息概念加以推广,可在一般系统范围内使用。在概率论基础上,信息论将信息概念加以推广,可在一般系统范围内使用。在概率论基础上,将信息熵加以推广
10、,形成概率测度熵。将信息熵加以推广,形成概率测度熵。定义:设一样本空间定义:设一样本空间X有有n个事件个事件Xi,Xi出现的概率为出现的概率为Pi,存在,存在2、概率测度熵、概率测度熵2023/4/19本讲稿第九页,共三十四页若有一函数若有一函数H(P1,Pn)满足下列条件:满足下列条件:(1)对于固定的对于固定的n,H是是P1,Pn的连续函数;的连续函数;(2)若若Pi=1/n,则对应的则对应的H(1/n,1/n)应是应是n的单调递增函数;的单调递增函数;(3)若将一试验分解成多个相继的试验,则原先的若将一试验分解成多个相继的试验,则原先的H值应为分解后多个试值应为分解后多个试验相应各个验相
11、应各个H值的加权和(叠加原理)。值的加权和(叠加原理)。则则H(P1,Pn)为熵。可以证明:为熵。可以证明:一个系统内每一个元素的概率测度,即不确定性为一个系统内每一个元素的概率测度,即不确定性为Pi,则整个系统的,则整个系统的不确定性程度为不确定性程度为H。对于具有。对于具有n个子系统的系统,其各个子系统的测度个子系统的系统,其各个子系统的测度Pi(Xi)=1/n时可有:时可有:2023/4/110本讲稿第十页,共三十四页即,等同于波尔兹曼熵,可以认为波尔兹曼熵是概率测度熵在各子系统即,等同于波尔兹曼熵,可以认为波尔兹曼熵是概率测度熵在各子系统出现概率一样的特殊情况。出现概率一样的特殊情况。
12、一个包含有一个包含有N个子系统的系统,系统整体层次的不确定性是由子系统的不确个子系统的系统,系统整体层次的不确定性是由子系统的不确定性造成的。如何衡量系统的整体不确定性?就是要满足概率测度熵的三个条件。定性造成的。如何衡量系统的整体不确定性?就是要满足概率测度熵的三个条件。如果简单巨系统的一部分具有可加性或具有可加性的物理量,则可以如果简单巨系统的一部分具有可加性或具有可加性的物理量,则可以建立熵概念。建立熵概念。2023/4/111本讲稿第十一页,共三十四页3、简单巨系统熵的定义、简单巨系统熵的定义简单巨系统熵:对于一个由简单巨系统熵:对于一个由N个子系统组成的简单巨系统,若系统个子系统组成
13、的简单巨系统,若系统具有可加性的某性质具有可加性的某性质,其测得总量为,其测得总量为X,子系统,子系统i的测量值为的测量值为Xi,对总量,对总量的贡献为的贡献为Pi=Xi/X,则系统关于性质,则系统关于性质 的熵值为:的熵值为:适用范围:适用范围:(1)只能衡量满足叠加原理的简单巨系统,或具有可加性性质的整体只能衡量满足叠加原理的简单巨系统,或具有可加性性质的整体与局部之间的关系;与局部之间的关系;(2)同一简单巨系统可以定义多个熵,对应不同具有可加性的性质,同一简单巨系统可以定义多个熵,对应不同具有可加性的性质,讨论不同性质下系统整体与局部的关系。讨论不同性质下系统整体与局部的关系。2023
14、/4/112本讲稿第十二页,共三十四页4、简单巨系统熵对系统的描述、简单巨系统熵对系统的描述简单巨系统熵可以描述系统的状态,是态函数。其零值也被指定,即当简单巨系统熵可以描述系统的状态,是态函数。其零值也被指定,即当系统该性质数值仅由其中一个确定的子系统提供,其余子系统对该性质的贡系统该性质数值仅由其中一个确定的子系统提供,其余子系统对该性质的贡献为零时,系统对该性质的熵定为零。献为零时,系统对该性质的熵定为零。简单巨系统熵可以描述系统以该物理量为标志的演化方向。在简简单巨系统熵可以描述系统以该物理量为标志的演化方向。在简单巨系统与外界交流进行演化时,其熵值增加,表示系统向着各子系单巨系统与外
15、界交流进行演化时,其熵值增加,表示系统向着各子系统对系统该性质均匀进行贡献的方向发展;熵值减少,表示系统向着统对系统该性质均匀进行贡献的方向发展;熵值减少,表示系统向着某一单个子系统对系统该性质主要进行贡献的方向发展。某一单个子系统对系统该性质主要进行贡献的方向发展。【例例】一个由一个由A、B、C三个子系统三个子系统(工厂工厂)组成的简单巨系统组成的简单巨系统(某个行业某个行业),总生产量为,总生产量为300单位不变,三个子系统生产量不同,系统熵值不同。单位不变,三个子系统生产量不同,系统熵值不同。2023/4/113本讲稿第十三页,共三十四页若三个子系统生产量均匀,此时系统的熵值:若三个子系
16、统生产量均匀,此时系统的熵值:若若A生产生产150,B生产生产100,C生产生产50,此时系统的熵值:,此时系统的熵值:显然显然H1H2,即均匀贡献的系统熵值大于某个子系统贡献大的系统熵值。,即均匀贡献的系统熵值大于某个子系统贡献大的系统熵值。2023/4/114本讲稿第十四页,共三十四页三、系统演化的分析方法三、系统演化的分析方法 简单巨系统的演化性质一般是由非线性微分方程解的特点来反简单巨系统的演化性质一般是由非线性微分方程解的特点来反映的,所以主要讨论方程解的性映的,所以主要讨论方程解的性 质,但通常无法给出精确解的解析质,但通常无法给出精确解的解析表达式。现有多种方法来讨论:表达式。现
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