耗散结构理论
耗散结构理论及应用课件
社会发展动力
耗散结构理论有助于理社会发 展动力机制，揭示社会变革和发 展的内在规律。
文化传播
该理论有助于解释文化如何在社 会系统中传播和演化，以及如何 影响社会的发展和变迁。
经济系统
经济波动与稳定
耗散结构理论可以用来研究经济系统的波动和稳定性，解释经济 危机和繁荣周期的内在机制。
创新与演化
该理论有助于理解经济系统中创新和技术的演化过程，以及如何促 进经济的持续发展。
资源配置
耗散结构理论为资源配置提供了新的视角和方法，强调通过优化物 质能量和信息的流动来提高经济效率。
人工智能
01
02
03
机器学习与自适应
人工智能系统通过与环境 进行物质能量的交换，不 断学习和优化自身的行为 和性能。
智能涌现
耗散结构理论有助于理解 智能如何从底层简单的规 则和算法中涌现出来，揭 示智能的本质。
物种演化
该理论有助于理解物种如何通过不断与环境进行物质和能 量的交换，在演化过程中形成和演化出新的物种。
生态恢复
耗散结构理论为生态恢复提供了理论支持和实践指导，强 调通过改善系统的物质能量流动和信息交流，促进受损生 态系统的恢复。
社会学
社会秩序的形成
社会作为一个复杂的耗散结构系 统，通过个体间的相互作用和物 质能量的交换，形成各种社会秩 序和结构。
演化规律。
在非平衡态热力学中，系统 通过与外界交换物质和能量 ，不断打破原有平衡状态， 形成新的有序结构和功能。
非平衡态热力学对于理解自然 现象和社会现象的演化具有重 要意义，如生态系统的演化、
城市发展等。
涨落与有序
涨落是指系统内部各个组成部分之间的随机波 动和差异，涨落对于系统的有序演化具有重要 的影响。
景观生态学的基本理论和原理
景观生态学的基本理论一、耗散结构理论1. 耗散结构理论概述⏹一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统),通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个变量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。
⏹由于这种在远离平衡的非线性区形成的有序结构，以能量的耗散来维持自身的稳定性，故称为“耗散结构”(dissipativestructure) 。
⏹耗散结构：位于远离平衡态的复杂系统，在外界能量流或物质流的维持下，通过自组织形成一种新的有序结构。
2. 耗散结构理论的意义⏹耗散结构理论认为：生态系统属于耗散结构系统，在于：1). 生态系统是开放系统；2). 所有生态系统都远离热力学平衡态；3). 生态系统中普遍存在着非线性动力学过程。
二、等级理论（hierarchy theory ）等级理论是关于复杂系统结构、功能和动态的系统理论。
通常，等级是一个由若干个单元组成的有序系统，而复杂性常具有等级形式。
一个复杂系统由相互关联的亚系统组成，亚系统又由各自的亚系统组成，往下类推直到最低层次。
所以，等级系统中的每一层次都由不同的亚系统或整体元组成，每一级组成单元相对于低层次表现出整体特性，而对高层次则表现出从属性或制约性。
基于等级理论，复杂系统可视为由具有离散性等级层次组成的等级系统。
解析：高等级层次上的生态过程（如全球植被变化）呈现大尺度、低频率和慢速；而低等级层次的生态过程（如局地植物群落物种组成变化）为小尺度、高频率和快速。
不同等级层次间相互作用，高层次对低层次的制约作用在模型中可表达为常数，而低层次提供机制和功能，其信息常以平均值的形式来表达。
等级系统结构：分垂直和水平两种。
前者指等级系统层次数目、特征及其相互作用关系，后者指同一层次上亚系统的数目、特征和相互作用关系。
层次和整体单元的边界称为界面。
耗散结构理论
• 企业中的正熵流生成于企业的内部矛盾之中;正熵 是企业不稳定的源泉，正熵的不断增加必然导致 企业管理效益的降低。
• 企业的负熵是为了抵消正熵带来的不稳定性，从 而维持企业管理的秩序与企业本身的存在。
远离平衡态
——非平衡是有序之源
• 1.系统的平衡态
• 定义：是指系统的宏观状态，在一定外界条件下 不随时间的变化而变化。 • 它只在外界条件不变的情况下，处于有序的状态， 外界条件稍有变化，它就会走向无序状态。在此 状态下，系统不与外界进行任何物质和能量的交 换，处于熵极大的混乱无序状态，不可能产生新 的有序结构。
耗散结构理论
赵斯惠22012070432
贝洛索夫一萨坡金斯基反应(BZ反应)
• 这是1958年苏联两位化学家发现的。把适量的丙 二酸和硝酸钵钱溶于的硫酸中,经充分搅拌到均匀, 这时再加人适量的滨酸钠,溶液的颜色就会在黄色 与无色之间振荡,周期约为1min。如果再加人几毫 升的试亚铁试剂,则溶液的颜色会在红色和蓝色之 间振荡。 • 反应表明,离子的浓度随时间的周期性变化,像时钟 一样的规则,又称“化学钟”。以后又发现在某些 条件下,各种成分的浓度并不均匀分布,而是出现随 空间周期变化的有序结构.
• 开放系统是指与外界环境有物质、能量和信息交换 的系统。 • 热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定 会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的 平衡态，所以孤立系统绝不会出现耗散结构。 • 然而外界给系统注入的熵deS可为正、零或负，在 deS<0的情况下，只要这个负熵流足够强，它就除了 抵消掉系统内部的熵产生diS外，还能使系统的总熵 增量dS为负，总熵S减小，从而使系统进入相对有 序的状态。所以对于开放系统来说，系统可以通过 自发的对称破缺从无序进入有序的耗散结构状态。
第九章非平衡系统的自组织理论：耗散结构
第九章非平衡系统的自组织理论：耗散结构第九章非平衡系统的自组织理论:耗散结构一、耗散结构理论的产生及发展(一) 耗散结构的概念在开放和远离平衡的条件下，在与外界环境交换物质和能量的过程中，通过能量的耗散和内部的非线性动力学机制及涨落的触发和推动下形成并保持下来的宏观时空有序结构称为耗散结构。
耗散结构理论指出，一个远离平衡的开放系统(力学的、物理的、化学的、生物的、社会的、经济的系统)，通过不断地与外界交换物质和能量，在外界条件的变化达到一定的阈值时，可能从原有的混沌无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。
耗散结构理论就是研究耗散结构的性质以及它的形成、稳定和演变规律的科学。
它的研究领域是物质系统的复杂性，即物质系统各层次或层次之间的非线性复杂关系。
其研究对象是开放的非平衡自组织系统。
着重考查在一定外界条件影响下的非平衡开放系统是如何通过自身的非线性相干反馈和协同作用，自发地形成宏观有序的自组织结构的。
它的建立和发展，使人们对自然界的发展有了一个比较完整的认识:在平衡态附近系统的发展行为倾向主要是趋向平衡态，并伴随着无序的增加和结构的破坏。
在远离平衡态的条件下，系统的发展过程则可能出现突变，导致新结构的形成和有序度的增加。
(二) 耗散结构理论的产生耗散结构:,,,,,,,,,,, ,,,,;,,,,:是比利时物理学家普瑞高津(，(,,,,,,,,,)于1969年在一次“理论物理与生物学” 的国际会议上首先提出的一个概念。
1971年普瑞高津与格兰道夫(,(,,,,,,,,,,)合著的《结构、稳定与涨落的热力学理论》较为详细地阐述了耗散结构的概念及其热力学理论，并将之应用到流体力学、化学和生物学等方面，引起了人们的广泛重视。
1977年普瑞高津和尼科里斯(,(,,;,,,,)在《非平衡系统的自组织》一书中对其研究成果进行了系统的总结，推动了耗散结构理论与非线性热力学的进一步发展。
耗散结构的理论形式是以普瑞高津为首的布鲁塞尔学派二十多年来从事非平衡热力学统计物理研究结出的成果。
耗散结构论
• 熵变 克劳修斯的热力学熵：热量从高温物体流向低温物体是不可逆的。 克劳修斯引入了熵的概念来描述这种不可逆过程。 一个系统的熵等于该系统在一定过程中所吸收（或耗散）的热量除以 它的绝对温度。可以证明，只要有热量从系统内的高温物体流向低温物 体，系统的熵就会增加： S =∫dQ1/T1+∫dQ2/T2 假设dQ1是高温物体的热增量，T1是其绝对温度； dQ2是低温物体的热增量，T2是其绝对温度， 则：dQ1 = -dQ2，T1>T2 于是上式推演为：S = |∫dQ2/T2|-|∫dQ1/T1| > 0 这种熵增是一个自发的不可逆过程，而总熵变总是大于零。 孤立系统的熵总是趋于增大，也称为熵增原理
19世纪存在着两种对立的发展观,一种是以热力学第二定 律为依据推演出的退化观念体系，它认为，由于能量的耗散， 世界万物趋于衰弱，宇宙趋于“热寂”，结构趋于消亡，无 序度趋于极大值，整个世界随着时间的进程而走向死亡；另 一种是以达尔文的进化论为基础的进化观念体系，它指出生 物进化的结果是种类不断分化、演变而增多，结构不断复杂 而有序，功能不断进化而强化，整个自然界和人类社会都是 向着更为高级、更为有序的组织结构发展。显然，物理学与 生物学、社会学中的这两种观点至少表面上在发展观上是根 本对立的。难道生命系统与非生命系统之间真的有着完全不 同的运动规律吗？为此，物理学家普利高津创立了“耗散结 构论”，他认为，无论是生命物质还是非生命物质，应该遵 循同样的自然规律，生命的过程必然遵循某种复杂的物理定 律。
热力学：孤立系统—能量退化 生物学：开放系统—物种进化
退化（克劳修斯）Βιβλιοθήκη 为什么在自 然界中好像 一切都在井 然有序的进 行着呢？
究竟谁的 观点代表 着世界大 系统的发 展方向呢？
耗散结构论
在新技革命浪潮中代科学方法从系统论、控制论和信息论发展到耗散结构论‘dis-siPativestructuretheory)、协同论(SynergeticS)、突变论(Catastrophetheory)。
有人把前三者叫作“老三论”，后三者叫作“新三论”。
这种称谓有一定道理，但不够确切。
其实，“新三论”是系统论的继续与发展，不如统称“系统科学”为好。
系统科学发展到耗散结构论、协同论和突变论，标志着现代科学技术已进入高一层次的综合化、整体化的新阶段。
它们是人们认识客观事物内在因素及其与外部环境多维联系的有力工具，在情报学研究中已得到初步应用。
一、耗散结构论概述’1.古代的混沌一有序观中国古代哲学家认为自然界是从毫无秩序的一片混乱发展起来的。
在古人看来，世界之初“混沌相连，视之不见，听之不闻”，后来盘古开天辟地，使清者上升为天，浊者下沉为地，从而形成天地分明的秩序。
在印度古代世尊歌中，把上帝称为世界上最完美的东西，后来上帝创造出来的人，就不如上帝那样完美有序了，而人再繁衍下来的后代越来越不完美，越来越混乱了。
你若不信，就挣开眼睛看一看吧，世界上到处是饥饿、灾荒、欺诈和战争。
上述的看法反映了古代两种混沌一有序观:一种认为事物发展越来越有序;另一种认为事物发展越来越混乱。
2.无序与有序的概念什么是无序呢?无序就是混乱，指事物内部诸要素或事物之间混乱而毫无规则的组合，以及事物转化的无规则性。
什么是有序呢?有序指事物内部诸要素或事物之间有规则的组合、联系和转化。
如作物春生夏长，秋收冬藏，应时按节，花开花落，四季循环，周而复始。
自然界的事物究竟是从无序向有序发展，还是从有序向无序发展，这个问题在科学家中引起争论，典型的代表是克劳修斯与达尔文之争。
3.克劳修斯与达尔文之争克劳修斯(ClausiusR.)是著名的物理学家。
他认为世界是从有序向无序退化。
由他发现的热力学第二定律就是明证。
什么是热力学第二定律呢?首先，我们介绍一个物理量一嫡。
耗散结构理论
耗散结构耗散结构dissipative structures比利时的普里戈金（I. Prigogine）从研究偏离平衡态热力学系统的输送过程入手，深入讨论离开平衡态不远的非平衡状态的热力学系统的物质、能量输送过程，即流动的过程，以及驱动此过程的热力学力，并对这些流和力的线性关系做出了定量描述，指出非平衡系统（线性区）演化的基本特征是趋向平衡状态，即熵增最小的定态。
这就是关于线性非平衡系统的“最小熵产生定理”，它否定了线性区存在突变的可能性。
普里戈金在非平衡热力学系统的线性区的研究的基础上，又开始探索非平衡热力学系统在非线性区的演化特征。
在研究偏离平衡态热力学系统时发现，当系统离开平衡态的参数达到一定阈值时，系统将会出现“行为临界点”，在越过这种临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态；若将系统推向离平衡态更远的地方，系统可能演化出更多新的稳定有序结构。
普里戈金将这类稳定的有序结构称作“耗散结构”。
从而提出了关于远离平衡状态的非平衡热力学系统的耗散结构理论（1969年）。
耗散结构理论指出，系统从无序状态过渡到这种耗散结构有几个必要条件，一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；二是系统必须是远离平衡状态的，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；三是系统内部不同元素之间存在着非线性相互作用，并且需要不断输入能量来维持。
在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大而达到有序。
偏离平衡态的开放系统通过涨落，在越过临界点后“自组织”成耗散结构，耗散结构由突变而涌现，其状态是稳定的。
耗散结构理论指出，开放系统在远离平衡状态的情况下可以涌现出新的结构。
地球上的生命体都是远离平衡状态的不平衡的开放系统，它们通过与外界不断地进行物质和能量交换，经自组织而形成一系列的有序结构。
可以认为这就是解释生命过程的热力学现象和生物的进化的热力学理论基础之一。
耗散结构理论
耗散结构理论耗散结构理论是指用热力学和统计物理学的方法，研究耗散结构形成的条件、机理和规律的理论。
耗散结构理论的创始人是伊里亚·普里戈金(Ilya Prigogine)教授，由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献，他荣获了1977年诺贝尔化学奖。
普里戈金的早期工作在化学热力学领域，1945年得出了最小熵产生原理，此原理和翁萨格倒易关系一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。
普里戈金以多年的努力，试图把最小熵产生原理延拓到远离平衡的非线性区去，但以失败告终，在研究了诸多远离平衡现象后，使他认识到系统在远离平衡态时，其热力学性质可能与平衡态、近平衡态有重大原则差别。
以普里戈金为首的布鲁塞尔学派又经过多年的努力，终于建立起一种新的关于非平衡系统自组织的理论──耗散结构理论。
这一理论于1969年由普里戈金在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。
耗散结构理论提出后，在自然科学和社会科学的很多领域如物理学、天文学、生物学、经济学、哲学等都产生了巨大影响。
著名未来学家阿尔文·托夫勒在评价普里戈金的思想时，认为它可能代表了一次科学革命。
耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。
这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。
可见，要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。
(1)远离平衡态远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。
平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀(从而系统内部没有宏观不可逆过程)的状态，它遵守热力学第一定律：dE=dQ-pdV，即系统内能的增量等于系统所吸收的热量减去系统对外所做的功；热力学第二定律：dS/dt>=0，即系统的自发运动总是向着熵增加的方向；和波尔兹曼有序性原理：pi=e-Ei/kT，即温度为T的系统中内能为Ei的子系统的比率为pi.近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区，它遵守昂萨格(Onsager)倒易关系和最小熵产生原理。
耗散理论
耗散理论耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。
耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流的维持下，通过自组织形成的一种新的有序结构。
“耗散”一词起源于拉丁文，原意为消散，在这里强调与外界有能量和物质交流这一特性。
例如，从下方加热的液体，当上下液面的温度差超过某一特定的阈值时，液体中便出现一种规则的对流格子，它对应着一种很高程度的分子组织，这种被称为贝纳尔流图像，就是液体中的一种耗散结构。
又如，化学反应中的别洛索夫—扎博京斯基反应，某些反应物浓度随时间和空间呈周期性的变化，这种化学振荡和空间图像，就是化学反应中的一种耗散结构。
耗散结构是比利时布鲁塞尔学派著名的统计物理学家普里戈金，于1969年在理论物理和生物学国际会议上提出的一个概念。
这是普里戈金学派20多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的成果。
1971年普里戈金等人写成著作《结构、稳定和涨落的热力学理论》，比较详细地阐明了耗散结构的热力学理论，并将它应用到流体力学。
化学和生物学等方面，引起了人们的重视。
1971～1977年耗散结构理论的研究有了进一步的发展。
这包括用非线性数学对分岔的讨论，从随机过程的角度说明涨落和耗散结构的联系，以及耗散结构在化学和生物学等方面的应用。
1977年普里戈金等人所著《非平衡系统中的自组织》一书就是这些成果的总结。
之后，耗散结构理论的研究又有了新的发展，主要是用非平衡统计方法，考察耗散结构形成的过程和机制，讨论非线性系统的特性和规律，以及耗散结构理论在社会经济系统等方面的应用等。
耗散结构理论把复杂系统的自组织问题当作一个新方向来研究。
在复杂系统的自组织问题上，人们发现有序程度的增加随着所研究对象的进化过程而变得复杂起来，会产生各种变异。
针对进化过程时间方向不可逆问题，借助于热力学和统计物理学用耗散结构理论研究一般复杂系统，提出非平衡是有序的起源，并以此作为基本出发点，在决定性和随机性两方面建立了相应的理论。
耗散结构
已不是简单的线性关系，有它自己特有的规律。
例如，贝纳德实验中 T TC 时的情形。 这时,就有可能出现自组织现象。
下面用图线来表示以上的三种情况：
13
表 征
定X
态 的 某 个 参 量
平
衡 态
X0 •
分叉现象
偏离平衡 的线性区
耗散结构理论在近年来有了很大的发展, 而且 在实践中已经运用。
美国有人研究东西部 人口的空间分布规律；
21
加拿大有人研究捕鱼的最佳方案；
荷兰有人研究能源的最低消耗方案
定量的研究要提出物理模型,建立数学模型,
然后再解相应的微分方程组。
如果我们能弄清自组织现象的规律, 自觉控
制一些参数, 使事物 (有生命,无生命，自然界,
稳定的
热力学分支
(a)
C
远离平衡的非线性区
稳定的
(C )
耗散结构分支
不稳定的
(b)
热力学分支
稳定的
(C )
耗散结构分支
（稳定的非平衡态）（对应某种时空有序状态）
λ0
λC
λ
控制参1量4
非平衡的不稳定态在一个细小的扰动下，就 可以引起系统状态的突变，状态离开（b）线 沿着另外两个稳定的分叉（c）,或（c’）发展， 这称为分叉现象。
即系统经历任何一个过程后，其熵变永远不会 小于熵流 ── 热力学第二定律的普遍形 四.远离平式衡。态的分叉现象
1.平衡态热力学（经典热力学）
主要研究平衡态的性质。
例如,贝纳德实验中 T = 0 的情形。
11
2.线性非平衡态热力学(近平衡态热力学） 偏离平衡态很小的系统称为近平衡系统。
耗散结构理论及应用课件
公共危机管理
在社会危机管理中，政府应借鉴耗散结构理论，及时 识别和解决潜在的风险和问题，促进社会系统的有序 演化。通过建立有效的预警机制和应急响应体系，降 低危机对社会的冲击。
对经济发展的策略建议
创新驱动发展
耗散结构理论强调系统的自组织性和创新性，这对于 经济发展具有重要的启示。政府应鼓励企业加大研发 投入，推动科技创新和产业升级，以实现经济的持续 健康发展。
企业管理的熵减策略
总结词
企业管理的熵减策略
详细描述
企业管理中，熵减策略是指通过减少混乱和 无序，增加组织的结构和秩序，提高组织的 效率和绩效。这种策略可以借鉴耗散结构理 论的思想，通过建立有效的信息交流和协作 机制，促进企业的自组织和有序发展。
05
耗散结构理论的未来发展与挑战
理论完善与创新
01
非平衡态原理
总结词
非平衡态原理是耗散结构理论的另一个重要概念，它指出系统只有在远离平衡态的情况 下才能展现出有序的结构和功能。
详细描述
非平衡态原理认为，平衡态或近平衡态的系统缺乏活力，无法产生新的结构和功能。只 有当系统处于非平衡态时，才能产生自组织的有序结构。这是因为非平衡态条件下，系 统内部的不稳定性会导致能量和物质的流动，从而促使系统内部相互作用和演化。非平
该理论强调系统内部各要素之间的相互作用和协同演化，以及系统与外界环境的相 互影响和制约。
耗散结构理论的核心概念包括熵、熵增原理、负熵流、自组织等，这些概念对于理 解系统的演化规律和机制具有重要意义。
理论发展历程
01
耗散结构理论的起源可以追溯到20世纪初，当时科学家们开始关注非 平衡态系统的行为和演化。
03
耗散结构理论的应用领域
生态学
耗散理论
耗散理论耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。
耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流的维持下，通过自组织形成的一种新的有序结构。
“耗散”一词起源于拉丁文，原意为消散，在这里强调与外界有能量和物质交流这一特性。
例如，从下方加热的液体，当上下液面的温度差超过某一特定的阈值时，液体中便出现一种规则的对流格子，它对应着一种很高程度的分子组织，这种被称为贝纳尔流图像，就是液体中的一种耗散结构。
又如，化学反应中的别洛索夫—扎博京斯基反应，某些反应物浓度随时间和空间呈周期性的变化，这种化学振荡和空间图像，就是化学反应中的一种耗散结构。
耗散结构是比利时布鲁塞尔学派著名的统计物理学家普里戈金，于1969年在理论物理和生物学国际会议上提出的一个概念。
这是普里戈金学派20多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的成果。
1971年普里戈金等人写成著作《结构、稳定和涨落的热力学理论》，比较详细地阐明了耗散结构的热力学理论，并将它应用到流体力学。
化学和生物学等方面，引起了人们的重视。
1971～1977年耗散结构理论的研究有了进一步的发展。
这包括用非线性数学对分岔的讨论，从随机过程的角度说明涨落和耗散结构的联系，以及耗散结构在化学和生物学等方面的应用。
1977年普里戈金等人所著《非平衡系统中的自组织》一书就是这些成果的总结。
之后，耗散结构理论的研究又有了新的发展，主要是用非平衡统计方法，考察耗散结构形成的过程和机制，讨论非线性系统的特性和规律，以及耗散结构理论在社会经济系统等方面的应用等。
耗散结构理论把复杂系统的自组织问题当作一个新方向来研究。
在复杂系统的自组织问题上，人们发现有序程度的增加随着所研究对象的进化过程而变得复杂起来，会产生各种变异。
针对进化过程时间方向不可逆问题，借助于热力学和统计物理学用耗散结构理论研究一般复杂系统，提出非平衡是有序的起源，并以此作为基本出发点，在决定性和随机性两方面建立了相应的理论。
耗散结构理论
耗散结构理论.txt 耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。
这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。
可见，要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。
协同论协同学（Synergetics）协同学亦称协同论或协和学，是研究不同事物共同特征及其协同机理的新兴学科，是近十几年来获得发展并被广泛应用的综合性学科。
它着重探讨各种系统从无序变为有序时的相似性。
协同论的创始人哈肯说过，他把这个学科称为“协同学”，一方面是由于我们所研究的对象是许多子系统的联合作用，以产生宏观尺度上结构和功能；另一方面，它又是由许多不同的学科进行合作，来发现自组织系统的一般原理。
客观世界存在着各种各样的系统；社会的或自然界的，有生命或无生命的，宏观的或微观的系统等等，这些看起来完全不同的系统，却都具有深刻的相似性。
协同论则是在研究事物从旧结构转变为新结构的机理的共同规律上形成和发展的，它的主要特点是通过类比对从无序到有序的现象建立了一整套数学模型和处理方案，并推广到广泛的领域。
它基于“很多子系统的合作受相同原理支配而与子系统特性无关”的原理，设想在跨学科领域内，考察其类似性以探求其规律。
哈肯在阐述协同论时讲道：“我们现在好像在大山脚下从不同的两边挖一条隧道，这个大山至今把不同的学科分隔开，尤其是把‘软’科学和‘硬’科学分隔开。
”协同学的创立者，是联邦德国斯图加特大学教授、著名物理学家哈肯（H旽aken）。
1971年他提出协同的概念，1976年系统地论述了协同理论，发表了《协同学导论》，还著有《高等协同学》等等。
热力学第二定律-耗散结构_图文
生物 生命
生物是远离平衡态的开放系统 生命过程是一种耗散结构 物种的产生 偶然性 物种的保护
麦克斯韦分布
麦克斯韦分布
其中 di S > 0：熵产生，由系统内部的不可逆过 程引起。 de S ： 熵流，可正可负。由系统与外部的能量和物
质交换引起。
自组织现象的解释
开放系统从外界接收负熵流 de S<0 且 |de S|>di S 系统的熵 d S = di S + de S<0 使系统由无序变到有序
负熵流
贝纳特实验中，流体系统是一个开放系统，随着热 量的流进流出，系统的熵在变化。若流进流出的热 量相等,为dQ 。
热力学第二定律-耗散结构_图文.ppt
第四章 热力学第二定律
*耗散结构介绍
耗散结构理论： 普利高津（I.Prigoging, 比利时)
1967年创立, 1977年获诺贝尔化学奖。
• 自组织现象 • 开放系统的熵变 • 远离平衡态的分叉现象
• 通过涨落达到有序
有序与无序
热力学第二定律说明了孤立系统中 的自然过程有方向性：
流进的熵
流出的熵
因为
所以
即流出的熵大于流进的熵 。
若净流出的熵超过了系统内部的“熵产生”，系统 的熵就减少，系统就从无序有序。
远离平衡态的分叉现象
1.平衡态热力学(经典热力学)
主要研究平衡态的性质.例如,贝纳特实验中 T=0 的情形。
2. 线性非平衡态热力学(近平衡态热力学）
外界的影响较小,外界的作用与系统状态的变化可 以看成简单的线性关系.
激光
激光器出激光，要输入足够的功率（开放系统） 才能造成粒子数反转的状态（远离平衡态）。
当有能量
系统工程耗散结构理论
放系统在远离平衡态并存 在负熵流时，可能形成 “稳定有序的耗散结构”。
复杂而精密的有序化结构和严谨协 调的有序化功能。
▪
是反以化第无大散化化耗
耗
宇映及论二序范结为过散
散
宙的克所定化围构代程结 演系劳反律的的本价往构
结
化统修映。方物身，往论 序从斯的由向质与因需认
构
列有的系此发系周此要为
论
中序热统可展统围从以， 的走力从见，，环整环耗
观
一向学无，仍仍境体境散 个无第序达然然所上更结
点
环序二走尔服是组讲大构
之
节，定向文从不成，的的 。都律有的热断的由无有
一
只所序进力朝更耗序序
，
耗散结构理论的客观作用
▪ 客观的讲，耗散结构理论是人类认知的一大飞跃，但是我们这里绝不 是把它当作救命稻草，或者是好消息（good news）而欢呼的。它在很 大程度上突破了牛顿宇宙论的认知，真正触及到了过程的意义、时间 的意义和生命的意义，触及到了“生”的机制。特别是耗散结构理论 对有机系统、生命系统、对研究人类各种组织结构的形成和机制有着 重要的理论意义和认知意义。如果说牛顿的宇宙论是一个没有“生” 也没有“灭”的机械过程的话，那么热力学第二定律所揭示的就是一 个“灭”的过程，在那里时间有了真正的意义，它只指向一个方向， 它是不可逆的过程，机械系统在“时间之矢”的作用下将不断的丧失 它的有效能量，直到最后一滴有效能量耗尽的时候而变成一种“热 寂”。而耗散结构理论所揭示的不仅是“生”的过程，它使我们可以 开始洞见一个真正过程机制的全部过程，从“生”到“成”到“灭” 的全过程；而且耗散结构理论是进入到一个机体或结构体的内部机制 去研究，是关于“生”的机制，也包括“成”的机制，即一个“结构 体”的生成或形成的条件和机制的内部动力的研究。如果说热力学第 二定律所揭示的还是一个机械系统的规律的话，那么耗散结构理论所 揭示的这个复杂“结构体”的“生成条件”，就是将人类的认知引导 到了具有“生命属性”的“结构体”的机制上来。在这个意义上，普 利高津从新打开了人类认知生命系统、认知社会系统、认知经济系统、 认知人文系统等等人类自身系统的大门，而不再局限在纯机械系统、 纯物质世界系统的认知之中。
耗散结构论
普里高津(LlyaPrigogine,1917～ 2003)，比利时物理化学家,布 鲁塞尔学派的首领,以研究非平 衡态的不可逆过程热力学、提 出“耗散结构”理论而闻名于 世。
普里高津于1969年在国际“理论物理与生物学 会议”上发表了《结构、耗散和生命》一文，提出 了耗散结构理论，把理论热力学的研究推向了当代 的最高峰。普里高津由于这一重大贡献，荣获1977 年诺贝尔化学奖。
基本思想
耗散结构论把宏观系统区分为三种：
• ①与外界既无能量交换又无物质交换——孤立系统 永远不可能自发地形成有序状态，其发展的趋势是“平衡无序态”
• ②与外界有能量交换但无物质交换——封闭系统 在温度充分低时，可以形成“稳定有序的平衡结构”
• ③与外界既有能量交换又有物质交换——开放系统。 在远离平衡态并存在负熵流时，可能形成“稳定有序的耗散结构” 。
普里高津和他的同事在建立“耗散结构”理论时准确地抓 住了如贝纳尔对流、B-Z化学波和化学振荡反应以及生物学 演化周期等自发出现有序结构的本质，使用了“自组织” 的概念，并且用该概念描述了那些自发出现或形成有序结 构的过程。
贝纳尔对流 云街
贝 纳 尔 流
云街
• 自组织现象是指自然界中自发形成的宏观有序现象。 • 自组织理论除耗散结构理论外，还包括协同学、超循环 理论等，它们力图沟通物理学与生物学甚至社会科学， 对时间本质问题等的研究有突破性进展，在相当程度上 说明了生物及社会领域的有序现象。 • 耗散结构是自组织现象中的重要部分。
• 耗散结构理论基础：热力学第一定律 、热力学第二定律 （熵、熵增原理）
耗散结构论相关概念
耗散结构论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放 系统（不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济 的系统）通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部 某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能 发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一 种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平 衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要 不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散 结构”（dissipative structure）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
耗散结构理论
耗散结构的有序表现为宏观上的有序, 是一种处于运动变化中的活结构, 体 系的状态和性能都向着优化方向转变, 因此耗散结构具有广泛应用性。
耗散结构理论与地理系统
现代科技革命的巨浪越来越有力地冲击着任何 学科的研究领域。作为基础学科之一的地理学 应浪而起, 不失时机地把诸如“ 老三论” 、 “ 新三论” 等新理论和新方法引入自身的研 究领域。随着“ 新鲜血液” 的不断注入, 地 理学内部产生了两个基本模式: 地理系统论与 建设地理学。 地理系统论把地球表层及其组成部分的概念系 统化为多因素、多级次、多功能、多过程的相 互作用为非加法的开放系统, 系统内所有的自 然、人文地理要素间均存在着错综复杂的有机 联系和非线性作用。
耗散结构理论
在耗散结构理论中, 普利高津为了说明系统是 如何与外界相互作用进而从无序转变为有序的, 因而引入了熵的概念。 熵在热力学中是指系统有序程度大小的量度,熵 越大,系统的无序程度越高。 热力学第二定律指出, 对于一个非平衡的孤立 系统, 它的熵总是自发地趋于极大, 最终达到 一个具有最大熵值的平衡态【一个宏观静止、 分子排列最混乱的状态】。
在地理系统中,耗散结构的所谓地理时空有序， 就是地理时空对称的破缺,所谓地理组织和结构 性的产生,实质上是地理对称员的减少。完全的 地理系统就意味着没有任何地理秩序,没有任何 地理结构和信息,这正是孤立的地理系统处在平 衡态的特点。 地理系统内地理力的存在,就意味着“ 非平 衡” , 地理系统维持着这种促使其有序的非平 衡,并在不断打彼内部各头“ 平衡” 的基础上 创造新的非平衡。
地理系统是要素间有非线性相互作用的系统
地理系统是一个具有整体性和倏忽性等重要特 性的复杂系统, 因此在地理系统中, 作为输出 能显物质的“ 营养源” 的自然地理系统和作 为输入营养的“ 营养汇” 的人文池理系统之 间相互促进又相互制约, 彼此间存在着极复杂 的非线性相互作用( 反馈、自催化、自组织、 自我复制等) , 同时自然、人文地理系统内部 的各要素间的非线性联系更为密切。
地理系统是一个动态涨落系统
地理系统的时间组织性决定了地理系统是一个 演变着的动态系统, 其演变的重要机制是偶然 性的随机涨落。
地理系统是一个动态涨落系统
众多涨落的并存,决定了地理系统进化是个由环境选择 的过程。几个涨落的合作与竞争, 导致了地理系统进化 过程的复杂性。地理系统进化的最终目的是通过涨落形 成耗散结构, 并赋予其特定的社会经济功能。地理系统 进化过程的永无止境, 体现出结构、功能、涨落三者之 间极为复杂的反馈关系, 如图3 所示。
可以用中国传统的阴阳 学说来描述热力学第二
定律 下面是阴阳的标志
以太极图作为一个孤立系统，它的熵总是自发地趋于极大, 这个 熵增的过程使其最终达到一个具有最大熵值的平衡态----阴阳独 旺，从而达到最无序的状态。
阴阳失衡的惨烈
耗散结构理论
对于一个开放体系来说, 熵的变化可分为两个部分: 一 部分是体系本身由于不可逆过程引起的熵增加, 记为 dis( dis> 0) ; 另一部分是系统与外界交换物质和能 量引起的熵流, 记为des( des 可正可负) 。整个开放 系统的熵( 即总熵)的变化ds 就可以写成两项之和, 即: ds= des+ dis。 在开放系统中, 如果熵流des 为负值且绝对值又大于熵 增加( dis) 时, 则ds= des+ dis< 0, 这时总熵可以逐 步减少, 使系统由无序趋向新的有序。非平衡的开放系 统可以通过与外界交换物质和能量获得负熵流来减少总 熵, 从而达到新的有序状态。
地理系统是一个开放系统
ds=dis+des
式中d表示地理系统的嫡产生,dis>o,des表示地 理系统与外界交操能量物质和信息引起的滴流, 其值可正可负。当diS<0且∣des∣>dis时,ds<0, 只要系统的负嫡流逐渐增加,总嫡变就逐渐减少, 地理系统就会逐渐地由无序转向有序。
地理系统是一个非平衡系统
耗散结构理论简介
耗散结构( Diissipative Structure) 理论是20世纪70 年代兴起的一种新的科学方法论 , 它是基于物理中热 力学第二定律发展起来的。1977 年, 比利时著名理学 家普利高津( Prigogine) 因成功地提出了耗散结构理 论而荣获诺贝尔奖。普利高津指出, 一个远离平衡的开 放体系( 不管是力学的、物理的, 还是化学的、生物 的) , 当外界条件达到某一阈值时, 量变可能引起质变, 系统通过不断地与外界交换能量和分子,会自动出现一 种自组织现象, 组成系统的各子系统会产生一种互相协 调的作用, 从而可能从原来的无序状态变为一种时间、 空间和功能的有序结构。这种非平衡状态下的新的有序 结构就是耗散结构。
地理系统是一个开放系统
地理学是研究地理系统的科学。地理科学研究 地理系统的模型有孤立系统、封闭系统、开放 系统三类。相比之下开放的地理系统具有“ 活” 性, 更具有普遍意义。开放性是地理系统的首 要特性, 耗散结构理论引入“ 地理嫡,剖析地 理系统的这一特性。 如果地理系统内各要素有组合的最大任意性,则 每种组合的概率相等,地理嫡取最大值,这时理 系统最无序,最对称;若组合有最小任意性,则地 理嫡取最小值,地理系统最有序。然而,真实的 地理系统嫡值dis+des。
耗散结构理论与地理系统
地理系统作为耗散结构系统具有四个重要 特性：即地理系统是一个开放系统，非平 衡系统，系统内要素间有非线性相互作用 的系统，动态涨落系统。其研究的最终目 的在于使地理系统执行特定的社会经济功 能。
以月亮阴晴圆缺为例说明耗散结果理论
而此部分 则是引入 负熵流的 过程。由 系统的恢 复可知负 熵流需依 据熵增过 程来判断 如何引入 负熵流。
这一部 分说明 了一个 开放系 统的熵 增的过
程。
这是它的动态过程图
耗散结构形成与维持基本条件
一是系统必须是开放系统，孤立系统和封闭系统 都不可能产生耗散结构； 二是系统必须处于远离平衡的非线性区，在平衡 区或近平衡区都不可能从一种有序走向另一更为 高级的有序； 三是系统中必须有某些非线性动力学过程，如正 负反馈机制等，正是这种非线性相互作用使得系 统内各要素之间产生协同动作和相干效应，从而 使得系统从杂乱无章变为井然有序； 四是系统内部存在着非线性相互作用。在平衡态 和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰， 但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大， 达到有序。