耗散结构

耗散结构（Dissipative structure）是指一个耗散系 统，由于不断和外环境交换能量、物质和熵而能继续维 持的稳定有序结构。
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负熵流
i e
系统的熵变化可以分解为系统内的dSi及系统外的dSe(和环 境交换的熵),其熵变化可以表示为: dS dS dS 在封闭系统中系统无法和环境交换熵，因此: 根据热力学第二定律:
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谢谢!
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自然界中的有序结构
自组织现象:混沌系统在随机识别时形成耗散结构的过程被定义 为自组织。行军蚁搭建的桥;萤火虫同步闪动;经济系统中相互维 系的市场;干细胞发育成特定的器官--这些都是自组织的例子。
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涨落的概念
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。 涨落是大量微观粒子的一种统计平均行为，是大量微观粒子如分子 、原子、电子等无规则热运动的结果。涨落的相对值通常很小，但在有些现 象中仍可观察到，并且可能有很重要的影响。
封闭系统的混乱程度不会减小。
dSe dSi 0
dSi 0
dS dSi
dS 0
因此有:
但是在开放系统中，系统可以和环境交换熵。在耗散结构 下，系统总熵不变(dS=0)，根据热力学第二定律: dS 0
i
由此得到：
——维持耗散结构的负熵流
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严格意义上的封闭系统、孤立系统在自然界是不存在的。它们 作为特定的分析对象而被引用只是一种近似，其目的是使问题 在研究时得以简化。
因此，有必要进行对开放系统的研究。
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推广2：偏离平衡态热力学系统
耗散结构提出者——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。 他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。
耗散结构
组员：陈圣杰 丁硕 蒋天志 刘陈锋 朱延文
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问题的提出
以前的物理理论认为，只有能量最低时，系统最稳定，否 则系统将消耗能量，产生熵，而使系统不稳定。但自然界 中存在反例。
例如生物体，以前按照热力学定律，是一种极不稳定的结 构，不断地产生熵而应自行解体，但实际是反而能不断自 我完善。 耗散结构理论认为在高能量的情况下，开放系统也可以维持稳 定。
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耗散结构的概念
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。 耗散系统（Dissipative system）是指一个远离热力学 平衡状态的开放系统，此系统和外环境交换能量、物质。
耗散结构的形成和特征
由于负熵流的存在，自然界中可以存在稳定的有序状态（熵不 变），甚至自发的、有无序到有序（熵减小）的现象。 常见的耗散结构包括对流、气旋、热带气旋及生物体。 若系统足够远地偏离平衡状态，该系统可能具有非常多的耗散 结构。 耗散结构的特征是： ①存在于开放系统中，靠与外界的能量和物质交换产生负熵 流，使系统熵减少形成有序结构。耗散即强调这种交换。 ②保持远离平衡态。贝纳特流中液层上下达到一定温度差的 条件就是确保远离平衡态。 ③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。
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推广1：孤立系统与开放系统
热力学第二定律（熵增加原理）：在孤立系统中，一切不可逆过程 必然朝着熵的不断增加的方向进行。
在热力学之中，与其他物体既 没有物质交换也没有能量交换 的系统称为孤立系统 （Isolated system） 。
与外界既有物质交换，又有 能量交换的系统称为开放系 统（Open system）。
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结论与展望
发展应用 比利时的普里高津、德国的哈肯、日本的久保-铃木等学派对远 离平衡态的耗散结构理论的建立与发展作出重要贡献。但理论尚 属初级阶段，有待于发掘新的概念、规律和数学工具。耗散结构 理论已用于研究流体、激光等系统、核反应过程，生态系统中的 人口分布，环境保护问题，乃至交通运输、城市发展，人文社会 等课题。
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典型的耗散结构
T1
T2 贝纳特流中液层上下达到一定温度差的条件就是 确保远离平衡态。
来自百度文库
贝纳特流
在一扁平容器内充有一薄层液体，液层的宽度远大于其厚度 ，从液层底部均匀加热，液层顶部温度亦均匀，底部与顶部 存在温度差。当温度差较小时，热量以传导方式通过液层， 液层中不会产生任何结构。但当温度差达到某一特定值时， 液层中自动出现许多六角形小格子，液体从每个格子的中心 涌起、从边缘下沉，形成规则的对流。从上往下可以看到贝 纳特流形成的蜂窝状贝纳特花纹图案。