我想我的这个想法最基本的还是能量守恒,质量守恒。
化学动力学里面有一个弛豫现象,对系统条件做一个小量干扰之后,对浓度等数据
进行测量,从而得到反应速度较快的化学动力学数值,比如说反应速率常熟。这个
弛豫现象算不算是一个系统的再分配呢?溶液开始的平衡中,各组分浓度,条件变
化后的各组分浓度,能不能看成由于反应而使各个可逆反应的两边的反应物的浓度
得到了再分配呢?我想这是一个利用系统再分配的一个例子。
有很多这样的例子,不仅仅是在化学上面。前几天看了《协同学》里面提到了很多
熵减小的反应,物理生物化学的例子举到了不少,因为里面涉及到了很多概率问题
,只是我并没有很明白的理解协同学最后说明了什么,给我一种感觉就是这些熵减
小的反应都是很多很复杂的偶然性最后导致出来的必然性,我感觉到它可能并没有
说到点上。我觉得这些物理化学生物上面的自组合现象会不会是一种系统再分配的
现象?这里面的系统看你怎么认为了,可以认为是已经存在的物质,也可以认为是
可以得到想要存在物质的反应,就像“1+1”和“x+y”和“x+y”与“F(x,y)”之
间的关系,看你取得的参照系是什么,不同的参照系分配与再分配的对象是不一样
的。
举一个例子,槽子里面一群混乱度比较大的沙子,可以认为是任意堆积的,然后我
们用水冲击它,等于加了一个外在压力和一个外在介质,使沙子在这个介质中进行
再分配,一开始是混乱都很高的体系,颗粒密度大小不等的沙子混杂在一起,等到
冲击过一段时间然后再用一段时间来进行沉淀后,这些沙子会按照颗粒密度大小或
许还能够按照颗粒尺寸大小在系统中再分配,使沙子群分层,外能认为是重力和介
质的浮力做的功,也就是说在这个过程中是有能量交换的,重力和浮力提供的能量
减少了体系熵。熵减了。从另一个角度看,熵减了吗?如果认为槽子里面沙子的总
体密度原来是均匀的,也就是说原来体系中的每一个单位体积中含有各种密度的颗
粒的百分比是一定的,那么可不可以认为原来的系统上是最小的呢?因为我们把每
一个单位体积无限缩小到一个沙粒上,那么就可以认为每一个沙粒都是一样的,他
们转动移动都是相同的,他们具有相同的内能,热容也是一样,而通过系统再分配
之后,原来的一个沙粒变成了更小的五个或者更多,并且分了层次,存在一个密度
梯度,粒径梯度,熵扩大了五倍或更多倍数,这么看就是熵增反应了。把不同的子
体系看成所研究系统的单元,他们的反应结果是变化的。
这几天设计了一个土壤堆浸的试验模型,也就是让我们研究出来的去污剂流经土壤
,看看去污效果如何。设计了两个,一个是从上面向下面淋洗到土壤上,一个是从
下面向上一点点地输送去污剂。这就是两个过程。第一种是简单的分配过程,利用
重力,去污剂直接在土壤中分配,然后通过内部搅拌,达到二次分配过程,这里面
有一个搅拌做功,提供能量,如果没有搅拌,完全静态,就涉及到一个土壤中冲击
沟渠的形成,致使土壤中的水分分配不均匀。第二种就不一样了,它不用搅拌,利
用水的重力直接就进行了再分配,水从出水口向上面冒出来的时候,与土壤接触,
可能会产生冲击沟渠,不过由于重力,水更多的向下流到堆浸罐的地步,然后再分
配的时候就像当时把土壤泡在土壤中了,这中间其实进行了三次分配,从出口出来
是一次,向下流是一次,浸没底层土壤是均匀反应是一次。这里面做功的是水的势
能,抵抗水的势能可以是水位差,可以是泵的扬程,总之它要比搅拌划算得多了,
省了很多能量。搅拌中出现的热消耗部分也可以避免了,这也是再分配作用应用的
另外一个例子吧。
看了一个资料,俄罗斯的废水处理过程中,发现把泥浆冷冻后,然后加热,能缩小
泥浆体积80%,有点儿意思。我想这也是一个系统再分配的过程。在冷冻的过程中,
泥浆颗粒与水分子因为极性(水中存在离子)的差异很大,再加上水在低温下体积
膨胀(从颗粒空穴中逃逸出),使原来的颗粒与水的混合物趋向于分离,原来处在
颗粒空穴中的水分因为张力难以蒸发出来,在冷冻的过程中系统发生再分配作用,
加热过程中水蒸发,留下了单纯较干燥的颗粒。这如果从弛豫方面考虑考虑的通,
那么也可以认为是一个系统再分配的应用实例了。
如果从系统的角度来考虑化学反应,就可以认为化学反应是一种系统再分配过程,
这中间可能熵增,可能熵减,要看你所选择的系统参照物是什么了,这里面的熵随
着就成了广义熵,而不是仅局限于原子分子分布体系的狭义熵了。扩展为广义熵之
后,泛化出一个系统再分配的模型,对解决一些反应机理方面的问题的时候就很有
用处了。提供能量是广义熵减小,比如说蔗糖的分解反应,加热之后,左旋的增加
,右旋的减少,以左旋葡萄糖为系统参照物,那么系统上减小,如果以整体体系为
参照,系统熵增加。
我这里就是给大家提供一个看待事物的一个新的方法。仅考虑系统中物质的分配状
况,焓简化成为能量的转移,从这里可能会得出很多有意思的新的现象出来,一些
我们平时认为可能比较给大家添麻烦的化学现象,可能在某些时候就能够成为帮助
我们做好工作的一个有力的工具了。如果达到统计上的混乱,就像腐蚀学的中讨论
如何能够加快系统的腐蚀速率一样,寻找不同的参照系统,得到的结果可能有助于
大家寻找到解决问题的方法。
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