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最小耗能原理(即新最小熵产生原理)与生命科学研究

已有 5721 次阅读 2017-9-21 16:24 |系统分类:科研笔记

文献[123]提出并证明了一个最小耗能原理(即新最小熵产生原理),由于该原理已将非平衡态热力学中现有的最小熵产生原理(即最小能耗率原理),从一个只适用于平衡态附近线性区中稳定态的非普适性原理,拓展成为一个适用于任何非线性非平衡态热力学过程中任意瞬时的普适性原理(即任何耗能过程都应受到最小耗能原理的规范)。鉴于耗能现象普遍存在于包括热力学、力学、物理学、化学、材料科学、生命科学以及各类工程科学等一系列学科领域之中,因此它有可能为解决各学科领域中与耗能现象有关的一些棘手问题,提供一些新的思路、途径和方法。例如文献[12345]已为建立新的材料破坏理论、本构关系理论、地震预测预报理论以及岩爆机理研究等这些公认的世界性科学难题,提供了新的解决问题的思路和方法,并获得了一些具体的研究成果。本文认为最小耗能原理(即新最小熵产生原理)或许也能被用于研究生命科学中的某些棘手问题。

   根据非平衡态热力学理论,生命体可视为一非平衡的、与外界既有物质交换又有能量交换的“耗散结构”。他们(指生命体)在与外界环境交换物质和能量的过程中,通过能量耗散过程和内部的非线性动力学机制,形成和维持着生命体自身的时空有序(即非平衡)状态,而无序(即平衡)则意味着生命体的死亡。因此有可能通过研究生命体中的能量耗散过程和其中的非线性动力学机制来揭示生命科学中的一些奥秘。

    由于只有在开放和远离平衡的条件下才能形成耗散结构(已如前述、生命体可视为一耗散结构),因此需要在远离平衡的情况下来研究能量耗散过程和其中的非线性动力学机制。而现有的最小熵产生原理(即最小能耗率原理)只适用于平衡态附近线性区中的稳定态,所以无法用它来研究生命体中远离平衡情况下的能量耗散过程和其中的非线性动力学机制。最小耗能原理(即新最小熵产生原理)则因其适用于任何远离平衡的非线性非平衡态热力学过程中的任意瞬时,因此它可用于描述生命体的耗散结构研究。    

根据最小耗能原理(即新最小熵产生原理),任何生命体的能量耗散过程都应在与之相应的条件约束下,以最小耗能的方式进行(其中的非线性动力学机制可视为“与之相应的”约束条件)。据此,则可对生命过程中的任意瞬时都建立起与之相应的条件极值或条件变分方程。具体方法如下:由于能量耗散过程总可用相应的、各种与表示能量耗散过程的时间参数t有关的热力学力、热力学流及相应的绝对温度的乘积之和的形式来表示。而能量耗散过程中的非线性动力学机制,则可用相应的热力学力和热力学流表示的本构关系给出。另外,因为热力学力是产生热力学流的原因,所以还可以认为热力学流是热力学力的函数,对非线性动力学机制而言,热力学流通常可视为是热力学力的非线性函数。根据最小耗能原理(即新最小熵产生原理),以热力学力和热力学流及相应的绝对温度乘积之和表示的能量耗散过程,将在满足能量耗散过程中的非线性动力学机制的条件下取最小值,这样就可建立起上述的条件极值或条件变分方程。于是在问题给定的初始条件和边界条件下,按文献[3]$2.4用新原理解决问题的三种途径”,求解上述方程则有可能使与生命过程有关的一些棘手问题获得定量解决。这或可看作是把最小耗能原理(即新最小熵产生原理)用于解决生命科学研究中某些棘手问题的基本思路。

参考文献:

1、周筑宝 最小耗能原理及其应用 科学出版社2001

2、周筑宝、唐松花 功耗率最小与工程力学中的各类变分原理科学出版社2007

3、周筑宝 唐松花 最小耗能原理及其应用(增订版)湖南科技出版社2012

4、周筑宝 唐松花 基于最小耗能原理的地震预测、预报理论 科学出版社2015

5、周筑宝 唐松花 基于最小耗能原理的岩石破坏理论与岩爆研究 科学出版社2017





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