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
任何物质系统都有其相应的功能，不同的结构具有不同的功能。 结构是功能的基础，结构决定功能，功能体现结构，并对结构 有反作用。 平衡结构是“死”的（没有活力），其功能不会变化发展，而 耗散结构是“活”的，在一定条件下，它会放大随机的涨落而 产生新的结构以适应新的功能需要。 在平衡结构中，由于不是自组织系统，没有自我新陈代谢的能 力，所以长期功能的发挥，由于长年累月的“磨损”，最后导 致结构破坏。如机器的磨损。
耗散结构理论的特征
耗散结构发生在开放系统中，它要靠外界不断的供应能量 或物质才能维持； 只有当控制达到一定值时，耗散结构才会出现；
它具有时空结构，对称性低于耗散结构发生前的均匀状态 （即耗散结构产生于对称性破缺）；
耗散结构是稳定源自文库，它不受任何小的扰动的破坏。
平衡结构和耗散结构的区别：
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）
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？
有序
进化（达尔文）
无序
主要内容
相关概念
•开放系统 根据系统与外界的相互关系，可以把系统分为孤立系统、封闭系统和 开放系统。 孤立系统与外界既无物质交换又无能量交换。 封闭系统与外界仅有能量交换而无物质交换。 开放系统与外界之间既有物质交换又有能量交换。 •自组织现象 在一定的外界条件下，系统内部自发地由无序变为有序的现象。自组 织系统的机理是对称性破缺。这种对称性破缺的序都不包含在外部环 境中，而根源于系统内部，外部环境只是提供触发系统产生这种序的 条件，所有这种序或组织都是自发形成的。
耗散结构理论的应用举例
普利高津本人研究的例子:白蚁筑巢 白蚁用一种叫做信息激素的化学信号来协调彼此 的动作，确保达到相似结果。筑巢的工蚁把土壤 颗粒咀嚼成类似水泥样的糊状物，他们在唾液中 添加一种化学物质，在短短几分钟内大约一厘米 以内的其它工蚁就能闻到这种气味。这就建立一 个正反馈：支柱越扩大，它就成为更强的信息素 释放源，就会有白蚁添加更多的材料。 蚁群中对任一白蚁来讲，它的爬行并且在某一地 方堆砌一点“粘性物质”都是偶然的，但是，粘 性物质在随意的积存中总有一些地方堆得稍多， 这就具有较大的化学引诱力，从而把更多的白蚁 吸引过去，导致涨落被迅速放大。这些被放大的 堆积物堆，如果彼此相距较远或是彼此隔离，那 么过程就会停止，但是偶尔有两个或更多的累积 物彼此挨得很近，就会逐步连成一个拱形结构， 这就开始奠定了一个复杂而有序的蚁巢基础。
耗散结构理论内容
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)。
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。
孤立 系统
dS di S d eS
系统与外界交换物质和 能量引起的熵变
d eS 0, d i S 0 dS 0
d eS 可正可负，取决于系统和外界的作用 负熵流 d eS 0
d eS d i S
dS d i S d eS 0
由于负熵流的引入，使得系统的熵减少，系 统由无序向有序转变
耗散结构理论形成的四个条件
1. 系统的开放性是必要条件 因为这一定是出现在能量耗散的系统,与平衡结构相对比,这些物理结构或 化学结构要求有更多的能量来维持它们。 2. 非平衡是有序之源
微小的扰动 有失稳现象
a 是处于不稳定平衡态 c 是处于稳定的平衡态
3. 非线性作用是有序的动力 一个非平衡系统中有许多变化着的因素，它们之间相互联 系相互制约并决定着系统的状态和可能演变的方向。一般 来说这些因素之间相互依赖的关系是一些很复杂的函数关 系。从数学知识可以知道线性方程只对应一个解，而非线 性方程却有着多个不同的解，用在演化过程中就是其演化 结果可能出现多个不同的方向和结果。 4. 随机涨落是有序的契机 涨落是指系统的某个变量或某种行为对平均值的偏离。
蚁巢
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耗散结构论
理论产生背景 耗 散 结 构 论
理论主要内容介绍
耗散结构论的应用举例
理论产生背景
本内容涉及到的主要人物：
克劳修斯是德国物理学家 和数学家，热力学的主要 奠基人之一，首次明确指 出热力学第二定律的基本 概念。
达尔文是英国生物学家， 普利高津是世界著名物理 生物进化论的奠基人。 化学家、比利时布鲁塞尔 学派领导人，于20世纪60 年代创立了耗散结构论。