B-Z反应中复合耦合效应的研究

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经典热力学已经充分解释了一个复杂体系总是会自发的趋于平衡和趋于无序态的行为,但无法解释自然界中大量自发过程导致有序的现象,Prigogine在上世纪50年代引入耗散结构这一概念,并建立了非线性非平衡热力学。因为耗散结构是在一个非平衡非线性体系失稳后可能出现的有序结构,所以首先必须确定体系失去稳定性的条件。本文主要讨论了复合耦合效应对体系失稳进而出现耗散结构的影响。首先讨论了在Brusselator模型中复合耦合的影响。我们通过热力学分析,找到了广义热力学流中的复合耦合因子,再通过对体系的超熵产生进行分析发现,如果体系中的复合耦合效应越大,那么这个体系的超熵产生就越容易小于零,这个体系也就越容易失稳,耗散结构也就越有可能出现。另外,对这个体系的动力学分析也得到了相同的结果。上述结论是基于对理想模型的分析获得的,为了使研究结论更加有意义,我们接下来分析了一个具体的化学反应即B-Z反应,这也是本文的重点内容。在B-Z反应中可以出现周期性有序的化学振荡现象。我们同样先从热力学的角度分析广义热力学流和力之间的关系,找到了反应中的复合耦合因子。接下来通过对其超熵产生进行分析,发现复合耦合因子对超熵产生的贡献为负,说明复合耦合越大,超熵产生就越容易小于零,耗散结构就越容易出现。随后又借助动力学分析验证了我们的结论。由此可见,在非平衡体系中,复合耦合效应对定态失稳起着重要的作用,并且复合耦合越大。这个体系就越容易失去稳定性,耗散结构也就越有可能出现。终上所述,通过对理想模型和具体化学反应的分析得到了相同的结论:在非线性系统中,强的复合耦合有利于耗散结构的出现。
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