耗散结构理论PPT课件
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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。
耗散结构简介精品PPT课件
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
(即可逆过程)的状态。 • 远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均
匀的状态。 • 耗散结构理论所给出的系统是一个高熵产的、
宏观上有序的状态。
非线性
• 系统产生耗散结构的内部动力学机制， 正是子系统间的非线性相互作用。
要将它们用物理学规律统一起来，必须抓住 孤立系统与开放系统的区别。
10
• 耗散结构理论可概括为：一个①远离平衡态的 ②非线性的③开放的系统(不光是热力学系统， 还包括物理的、化学的、生物的乃至社会的、 经济的系统)
• 通过④不断地⑤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⑥阈值时， 通过⑦涨落，系统可能发生⑧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。
流进的熵 — d Q
T1
流出的熵
d —
Q
T2
因为 T1 > T2 ， 所以
dQ dQ T1 T2
即流出的熵大于流进的熵 。
20
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。
6
所以，大脑神经细胞的这种有组织的排列决 不是随机形成的。
树叶有规则的形状；
龟背的图案；
7
2.自组织现象中的时间有序结构 ▲ 无生命界：
B - Z反应
苏，1958 贝鲁索夫（Belousov） 扎玻庭斯基（Zhabotinski）
溴酸氧化反应： 柠檬酸+丙二酸，铈（Ce）离子催化。
8
反
接 近 平 衡
• 这种在临界点附近控制参数的微小改变导 致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫 做突变。耗散结构的出现都是以突变方式 实现的。
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
(即可逆过程)的状态。 • 远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均
匀的状态。 • 耗散结构理论所给出的系统是一个高熵产的、
宏观上有序的状态。
非线性
• 系统产生耗散结构的内部动力学机制， 正是子系统间的非线性相互作用。
要将它们用物理学规律统一起来，必须抓住 孤立系统与开放系统的区别。
10
• 耗散结构理论可概括为：一个①远离平衡态的 ②非线性的③开放的系统(不光是热力学系统， 还包括物理的、化学的、生物的乃至社会的、 经济的系统)
• 通过④不断地⑤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⑥阈值时， 通过⑦涨落，系统可能发生⑧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。
流进的熵 — d Q
T1
流出的熵
d —
Q
T2
因为 T1 > T2 ， 所以
dQ dQ T1 T2
即流出的熵大于流进的熵 。
20
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。
6
所以，大脑神经细胞的这种有组织的排列决 不是随机形成的。
树叶有规则的形状；
龟背的图案；
7
2.自组织现象中的时间有序结构 ▲ 无生命界：
B - Z反应
苏，1958 贝鲁索夫（Belousov） 扎玻庭斯基（Zhabotinski）
溴酸氧化反应： 柠檬酸+丙二酸，铈（Ce）离子催化。
8
反
接 近 平 衡
• 这种在临界点附近控制参数的微小改变导 致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫 做突变。耗散结构的出现都是以突变方式 实现的。
耗散结构理论及应用PPT课件
2021
11
熵变与平衡态
分支现象
当λ≥λc。时如贝纳德对流实验中， 流结的温度梯度达到并超过某一定值时，曲 线段a的延伸虚线b上各非平衡定态变得不稳 定；一个微小的扰动(涨落)就可以引起系统 的突变，使系统的状态离开热力学分支而突 变到另外两个稳定的分支c或c’上。在这两 个分支上的每一点可能对应于某种时空有序 状态，
上 ,就是该无序态的体系不存在分叉与
突变等非平庸行为 。
2021
例 此如 方程f(有X三,A)个=定(A态-Ac解)X,–它X们^相3 当 那 于么 耗散方结程构为分: 支,而这个分支的 引起正是由于非线性项(如式中 的X^3)的作用。 这反应在非平衡体系的行为上, 就是具有分叉、突变、滞后 、 自激荡、自组织、自创性 、自 生长、自复生甚至混沌运动等非 平庸行为。
零。如果为负值只，并有且d开es 放> dis则才有能ds =生de存s + dis < 0。
系统吸收负熵流，使上式成立，系统的熵会减少，系统会变由原 来的状态进入更加有序的状态。开放系统存在着由无序向有序演化的 可能性，从而使体系走向具有生机活力的耗散结构。
2021
16
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
耗散结构理论
孙正卫 崔傲 李菁伟
2021
1
主要内容
自组织现象 熵变与平衡态 耗散结构与其主要特性 耗散结构的应用
2021
2
在一定的条件下，系统内部自发地组织并从无序变
为自有组序织的现现象象，称为自组织现象。自组织现象普遍存在于 宇熵宙变、与自然平界衡、态生物界和人类社会中。
耗散结构与主要特性
耗 贝散纳结德构对流的应用
激光 生命系统 BZ反应
第十七章耗散结构理论方法精品PPT课件
·体系内部存在着确定性的内在涨落。 这种内在涨落是永恒的。
7、非稳定性
·涨落表现了体系非稳定性的一个因素。 ·逐渐远离平衡态表现体系非稳定性。 ·非线性反映了体系非稳定性。 ·外界输入的渐增激励了非稳定性。 ·如果体系存在着广义的“流”和 “力”，
那么体系必定存在着一定程度的非稳 定性。
四、耗散结构理论在社会系统中应用分析
·对称性：对称性即指事物某种属性经过 一定的变换仍保持不变的性质。自然界的 各种事物都具有某种对称性，不同事物对称 的属性即对称性的强弱不同。 ·序：不同事物之间或事物内部各个要素 之间的关系具有一定的次序，称为序。
2、平衡态热力学系统分析
·在平衡态热力学中，体系内部各 个组成部分及其运动分布越均匀，几率 越大，因而越无序，熵越大。分布达到 完全均匀，几率最大体系最无序。熵是 体系走向混乱的程度的度量
③ 热力学系统表现出很强的对称性。
3、非平衡态热力学系统分析 ·非平衡系统发展的方向是进化趋势、
有序的趋势（如图）
正方匣内密度分布不均匀，左右对 称消失，产生了有序的扩散作用。
·非平衡态热力学的理论基础
是从平衡态热力学发展而来
线性非平衡态
非线性非平衡态热力学
（又称为不可逆热力学） （简称非线性热力学）
·气体初始位于匣的左半部，而系统处 于非平衡态。
这时分子除了无规则的热运动外，还 存在自左向右宏观自由扩散运动。
·在扩散运动中，众多的分子参加了统 一行动，集体产生了向右的平均宏观 位移。（比前一种运动“有序”）
· 这时匣子左边和右边的气体分布性质 十分不同，左右对称不复存在。所以 有序意味着在某些方面的对称性减少。
·对体系有序演化的概括和描述有共同 概念
③ 自催化（或自组织）的非线性作用
7、非稳定性
·涨落表现了体系非稳定性的一个因素。 ·逐渐远离平衡态表现体系非稳定性。 ·非线性反映了体系非稳定性。 ·外界输入的渐增激励了非稳定性。 ·如果体系存在着广义的“流”和 “力”，
那么体系必定存在着一定程度的非稳 定性。
四、耗散结构理论在社会系统中应用分析
·对称性：对称性即指事物某种属性经过 一定的变换仍保持不变的性质。自然界的 各种事物都具有某种对称性，不同事物对称 的属性即对称性的强弱不同。 ·序：不同事物之间或事物内部各个要素 之间的关系具有一定的次序，称为序。
2、平衡态热力学系统分析
·在平衡态热力学中，体系内部各 个组成部分及其运动分布越均匀，几率 越大，因而越无序，熵越大。分布达到 完全均匀，几率最大体系最无序。熵是 体系走向混乱的程度的度量
③ 热力学系统表现出很强的对称性。
3、非平衡态热力学系统分析 ·非平衡系统发展的方向是进化趋势、
有序的趋势（如图）
正方匣内密度分布不均匀，左右对 称消失，产生了有序的扩散作用。
·非平衡态热力学的理论基础
是从平衡态热力学发展而来
线性非平衡态
非线性非平衡态热力学
（又称为不可逆热力学） （简称非线性热力学）
·气体初始位于匣的左半部，而系统处 于非平衡态。
这时分子除了无规则的热运动外，还 存在自左向右宏观自由扩散运动。
·在扩散运动中，众多的分子参加了统 一行动，集体产生了向右的平均宏观 位移。（比前一种运动“有序”）
· 这时匣子左边和右边的气体分布性质 十分不同，左右对称不复存在。所以 有序意味着在某些方面的对称性减少。
·对体系有序演化的概括和描述有共同 概念
③ 自催化（或自组织）的非线性作用
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
耗散结构
23
例如,人体中有不少 例如,人体中有不少ATP(三磷酸腺苷), (三磷酸腺苷), 但是冠心病人每次只要注射 20mg ATP就有明 就有明 显疗效. 显疗效.它是通过引起某种涨落使病人向健康 人转化, 从而建立一种新的有序状态. 人转化, 从而建立一种新的有序状态.
进化(达尔文) 进化(达尔文)
3
二.自组织现象和耗散结构 自组织现象和耗散结构 自组织现象: 在一定外界条件下, 在一定外界条件下,系统内部 自组织现象: 自发地由无序变为有序的现象. 发地由无序变为有序的现象. 的现象 这种演化过程叫自组织过程 自组织过程. 这种演化过程叫自组织过程. 1.自组织现象中的空间有序结构 自组织现象中的空间有序结构 自组织现象中的 无生命界: ▲ 无生命界: 六角形的雪花; 六角形的雪花; 鱼鳞状的云; 鱼鳞状的云;
4
贝纳德(Benard)对流 贝纳德( )
蜂窝模式 俯视图
T2
距离 很小
大导热板
T2 Q
T2
T1=T2 液体静止 平衡态 对称
△ T1 >T2 , T >△TC 液体静止, 液体静止,热传导 液体对流传热 出现宏观有序 出现宏观有序 稳定的非平衡态 对称 对称破缺
5
△ T1>T2 , T <△TC
*耗散结构简介
(Dissipative structure) )
神经细胞
1
目 录
一. 退化与进化 二.自组织现象和耗散结构 自组织现象和耗散结构 三.开放系统的热力学第二律 开放系统的热力学第二律 四.远离平衡态的分叉现象 五.涨落导致有序 涨落导致有序 六.高级分支和混沌状态 高级分支和混沌状态 "耗散结构"参考书 耗散结构" 耗散结构
例如,人体中有不少 例如,人体中有不少ATP(三磷酸腺苷), (三磷酸腺苷), 但是冠心病人每次只要注射 20mg ATP就有明 就有明 显疗效. 显疗效.它是通过引起某种涨落使病人向健康 人转化, 从而建立一种新的有序状态. 人转化, 从而建立一种新的有序状态.
进化(达尔文) 进化(达尔文)
3
二.自组织现象和耗散结构 自组织现象和耗散结构 自组织现象: 在一定外界条件下, 在一定外界条件下,系统内部 自组织现象: 自发地由无序变为有序的现象. 发地由无序变为有序的现象. 的现象 这种演化过程叫自组织过程 自组织过程. 这种演化过程叫自组织过程. 1.自组织现象中的空间有序结构 自组织现象中的空间有序结构 自组织现象中的 无生命界: ▲ 无生命界: 六角形的雪花; 六角形的雪花; 鱼鳞状的云; 鱼鳞状的云;
4
贝纳德(Benard)对流 贝纳德( )
蜂窝模式 俯视图
T2
距离 很小
大导热板
T2 Q
T2
T1=T2 液体静止 平衡态 对称
△ T1 >T2 , T >△TC 液体静止, 液体静止,热传导 液体对流传热 出现宏观有序 出现宏观有序 稳定的非平衡态 对称 对称破缺
5
△ T1>T2 , T <△TC
*耗散结构简介
(Dissipative structure) )
神经细胞
1
目 录
一. 退化与进化 二.自组织现象和耗散结构 自组织现象和耗散结构 三.开放系统的热力学第二律 开放系统的热力学第二律 四.远离平衡态的分叉现象 五.涨落导致有序 涨落导致有序 六.高级分支和混沌状态 高级分支和混沌状态 "耗散结构"参考书 耗散结构" 耗散结构
高等工程热力学 第六讲-耗散结构理论PPT课件
第一节 耗散结构理论
(4)涨落 一个由大量子系统组成的系统，其可测的宏
观量是众多子系统的统计平均效应的反映。但 系统在每一时刻的实际测度并不都精确地处于 这些平均值上，而是或多或少有些偏差，这些 偏差就叫涨落，涨落是偶然的、杂乱无章的、 随机的。
第一节 耗散结构理论
在正常情况下，由于热力学系统相对于其 子系统来说非常大，这时涨落相对于平均值是 很小的，即使偶尔有大的涨落也会立即耗散掉， 系统总要回到平均值附近，这些涨落不会对宏 观的实际测量产生影响，因而可以被忽略掉。 然而，在临界点(即所谓阈值)附近，情况就大 不相同了，这时涨落可能不自生自灭，而是被 不稳定的系统放大，最后促使系统达到新的宏 观态。
2.由克劳修斯从热力学第二定律引出的结论 与达尔文创立的生物进化论存在着尖锐的矛盾。 热力学第二定律告诉人们：物质的演化总是朝熵 增加、向混乱的方向进行。可是，进化论则告诉 我们：生物的进化总是由低级到高级，朝熵减少、 向有序的方向进行。前者给出了“宇宙热寂说” 的结论，即退化的时间箭头，而后者则与之相反， 给出了进化的时间箭头。
第一节 耗散结构理论
当在临界点处系统内部的长程关联作用产 生相干运动时，反映系统动力学机制的非线性 方程具有多重解的可能性，自然地提出了在不 同结果之间进行选择的问题，在这里瞬间的涨 落和扰动造成的偶然性将支配这种选择方式， 所以普里高津提出涨落导致有序的论断，它明 确地说明了在非平衡系统具有了形成有序结构 的宏观条件后，涨落对实现某种序所起的决定 作用。
（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。 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。当给定的边界条件阻止系统达到热 力学平衡态时，系统就落入最小耗散(最小熵 产生)的状态。
第一章(五)-耗散结构理论
1.4 系统演化形式：自组织耗散结构理论（Dissipative structure）1.问题的提出墨水滴在一杯清水中可自动扩散——不能反过来由均匀的溶液自动凝成墨水。
摩擦自动生热，热不能自动产生摩擦。
这表明根据热力学第二定律，任何自发的物理和化学过程总是导至熵的增加，即无序度的增加。
相反的现象：生物界，社会进化的结果导至物种增多，功能结构复杂，即有序度的增加。
无生物中的利色根环（胶体化学中的周期沉淀），将碘化钾溶液加到含硝酸银的胶化介质中可形成碘化银沉淀，有规则间隔的带状或环状分布。
贝纳德花纹，流体力学中，如果从下面加热某一流体薄层，起初只有热传导存在，当流体中的温度梯度高于某一临界值时，原来静止的流体中会出现许多规则的六角形对流格子。
扎鲍廷斯基花纹：1958年苏生物物理学家别洛索夫在某些金属离子催化剂（例如三价铈离子）存在的情况下进行某些有机酸（例如丙二酸）的溴酸氧化，别氏发现在一定条件下某些组分（例如铈离子）的浓度会随时间变化造成反应液的颜色有规则地周期变化（称为化学钟），扎鲍廷斯基继续并改进了别洛索夫实验，他发现在某些条件下某些组分的浓度分布变得不均匀，形成许多漂亮的花纹。
上述生命和无生命现象表明在宇宙中存在着两种相反的演进方向：一种趋向于无序；一种趋向有序。
究竟这是为什么？在什么条件下发展过程趋向无序的增加和结构破坏。
在什么条件下发展过程可经受突变，导致结构的形成和有序的增加。
在二十世纪六十年代以比利时物理学家兼化学家普利高津为首的布鲁塞尔学派提出了耗散结构理论。
（1969）2．什么是耗散结构？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机制而形成和维持的宏观有序结构，称为耗散结构。
耗散结构理论的要点：孤立系统：与外界无物质能量和信息交换封闭系统：无物质有能量信息交换开放系统：有物质能量信息交换2.1为什么只有在开放条件下才可能由无序到有序？孤立系统因不能与外界交换物质能量信息所以只能按热力学第二定律自动地走向无序化；封闭系统只能在低温条件下形成死的有序结构的晶体。
耗散结构课件
ds
x1
x0
X
x2
单位时间内，从温度较高的一侧，通过这一平 面向温度较低的一侧所传递的热量，与这一平面所 在处的温度梯度和面积元成正比 热传导系数 能量流动方 dQ 恒为正值 dT K ds 单位J· -1· -1· -1 向与温度梯 K m s dt dx 度方向相反 W· K-1· m-1
耗散结构
三、耗散结构的形成
1、耗散结构的形成
只能在开放系统中，非线性的远离平衡态 的区域出现。 有突变和正反馈现象。
自组织现象中的有序状态是突然出现的。
突变现象 (失稳现象)
处于稳定 平衡状态
G G
处于不稳 定平衡态
a
b
微小扰动失稳现象
热力学系统失稳依靠的是各种正反馈现象。 (正反馈是对微弱扰动的放大作用) 2、涨落导致有序
系统的瞬时状态完全是偶然的，不可确定。
混沌态
形成耗散结构必须有以下四个条件: (1)开放系统; (2)远离平衡态; (3)涨落突变; (4)非线性抑制因素。
1 2
dM ds
x0
2
X
x2
d 密度梯度 dx
表示气体的密度沿x 轴方向 的空间变化率。
单位时间内，经过ds 扩散面的分子质量dM与 附近的密度梯度和面积元ds 成正比
dM d D ds dt dx
扩散方向与质量 梯度方向相反 扩散系数恒为正值
单位m2· s-1
物质流(质量流)
系统——耗散结构
3、分支现象
x
c
x0
外界对系统的控制参量
a
b c
ห้องสมุดไป่ตู้
x表征系统定态的某个参量 大小表示外界对系统 影响的程度以及系统 偏离平衡态的程度
热力学第二定律-耗散结构_图文
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 。
有序
无序 （退化；克劳修斯） 孤立系统 有序 到 无序
但是，自然界实际上也存在许多过程:
无序
有序 （进化；达尔文） 生命过程 无序 到 有序
自组织现象
自组织现象：开放系统内部由无序变为有序，
使其中大量分子或单元按一定规律运动的现象 （1）无生命开放系统的自组织现象
如六角形的雪花； 鱼鳞状的云; 激光
有序对流效率更高
T2
T1 > T2
T1
h 有序对流
千千万万的分子被 组织起来，参加一 定方式的宏观定向 运动，能量得到更 有效的传递。
•水管中的沙团
激光－时间自组织
能量 < 某一阈值时 原子发出光子的频率和位相无序 能量 > 某一阈值时
原子“集体一致行动”，发出频率和位相 都相同的光子－产生激光。体系有序。
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
例如,贝纳特实验中，T0（但较小）的情形。还不可能 发生自组织的现象。
3. 非线性非平衡态热力学(远离平衡态热力学)
外界的影响强烈,它引起系统状态的变化已不能看成简单 的线性关系，有它自己特有的规律.
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 。
有序
无序 （退化；克劳修斯） 孤立系统 有序 到 无序
但是，自然界实际上也存在许多过程:
无序
有序 （进化；达尔文） 生命过程 无序 到 有序
自组织现象
自组织现象：开放系统内部由无序变为有序，
使其中大量分子或单元按一定规律运动的现象 （1）无生命开放系统的自组织现象
如六角形的雪花； 鱼鳞状的云; 激光
有序对流效率更高
T2
T1 > T2
T1
h 有序对流
千千万万的分子被 组织起来，参加一 定方式的宏观定向 运动，能量得到更 有效的传递。
•水管中的沙团
激光－时间自组织
能量 < 某一阈值时 原子发出光子的频率和位相无序 能量 > 某一阈值时
原子“集体一致行动”，发出频率和位相 都相同的光子－产生激光。体系有序。
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
例如,贝纳特实验中，T0（但较小）的情形。还不可能 发生自组织的现象。
3. 非线性非平衡态热力学(远离平衡态热力学)
外界的影响强烈,它引起系统状态的变化已不能看成简单 的线性关系，有它自己特有的规律.
耗散结构理论
耗散结构理论耗散结构理论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。
我们首先从几个例子看一下究竟什么是耗散结构。
天空中的云通常是不规则分布的，但有时蓝天和白云会形成蓝白相间的条纹，叫做天街，这是一种云的空间结构。
容器装有液体，上下底分别同不同温度的热源接触，下底温度较上底高，当两板间温差超过一定阈值时，液体内部就会形成因对流而产生的六角形花纹，这就是著名的贝纳德效应，它是流体的一种空间结构。
在贝洛索夫—一萨波金斯基反应中，当用适当的催化剂和指示剂作丙二酸的溴酸氧化反应时，反应介质的颜色会在红色和蓝色之间作周期性变换，这类现象一般称为化学振荡或化学钟，是一种时间结构。
在某些条件下这类反应的反应介质还可以出现许多漂亮的花纹·，此即萨波金斯基花纹，它展示的是一种空间结构。
在另外一些条件下，萨波金斯基花纹会成同心圆或螺旋状向外扩散，象波一样在介质中传播，这就是所谓化学波，这是一种时间一一空间结构。
诸如此类的例子很多，它们都属于耗散结构的范畴。
为了从各不相同的耗散结构实例中找出其本质的特征和规律，普里戈津学派研究了非平衡热力学,继承和发展了前人关于物理学中相变的理论，运用了当代非线性微分方程以及随机过程的数学知识，揭示出耗散结构有如下几方面的基本特点。
首先，产生耗散结构的系统都包含有大量的系统基元甚至多层次的组分。
耗散结构理论PPT课件
2021
2
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】。
地理系统是一个非平衡系统
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。
2021
1
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。
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可以用中国传统的阴阳 学说来描述热力学第二
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地理系统是一个非平衡系统
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。
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
13
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。
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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】。
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
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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
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4
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。
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阴阳失衡的惨烈
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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。
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15
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。
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
地理系统嫡值并非定取最大或最小值,而是表现
出极为复杂的滴变ds:ds=d2i02s1 +des。
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2021
17
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。
2021
7
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。
2021
这一部 分说明 了一个 开放系 统的熵 增的过
程。
8
这是它的动态过程图
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9
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
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。
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10
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。
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11
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
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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。
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。
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12
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
地理系统是一个非平衡系统
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。
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
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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。
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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】。
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
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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
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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。
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阴阳失衡的惨烈
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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。
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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。
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
地理系统嫡值并非定取最大或最小值,而是表现
出极为复杂的滴变ds:ds=d2i02s1 +des。
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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。
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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。
2021
这一部 分说明 了一个 开放系 统的熵 增的过
程。
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这是它的动态过程图
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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
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。
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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。
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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
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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。
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。
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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