耗散结构
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
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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。
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
耗散结构比利时布鲁塞尔学派领导人普里高京于1967年在第一届理论物理与生物学国际会议上发表了名为《结构、耗散和生命》的论文，正式提出了耗散结构理论。
普里高京因此获得了诺贝尔奖。
耗散结构理论指出：一个开放系统（无论是力学的、物理的、化学的还是生物的乃至社会的经济的系统）处在远离平衡态的非线性区域，当系统的某个参数变化到达一定的的临界值（阈值）时，通过涨落，系统发生突变，即非平衡相变，其状态可能从原来的混乱无序的状态转变到一种在时间上、空间上或功能上有序的新状态，这种新的有序结构（耗散结构）需要系统不断的与外界交换物质和能量才能得以维持并保持一定的稳定性，且不会因外界的微小扰动而消失。
耗散结构有四个条件：（1）系统必须是开放的，（2）系统必须处于远离平衡态，（3）系统内部存在非线性的相互作用，（4）涨落导致有序。
自然界的生物种类极其繁多，形态各异，功能复杂，构成了绚丽多彩的生物世界。
同时生物界也是自然界中最富有生气和最具神秘感的领域。
孤立系统不能产生有序结构，因为根据热力学第二定律，孤立系统的熵是永不减少的。
因此耗散结构一定产生于开放系统，必须存在由环境流向系统的负熵流，而且能够抵消掉系统自身的熵增，才能使系统的熵减小，有序度增加。
玻尔兹曼原理虽对解释平衡结构是成功的，却无法用来说明非平衡的有序结构，对于平衡态系统各个微观组态是等概率出现的，对于生物体，它是由分子、细胞、组织、器官、个体、群体按各种要求与层次组成的，在各层次上都表现出有序性，因此自组织现象（尤其是生命现象）只能在远离平衡态的条件下生存。
因此普里高京认为，非平衡是有序之源。
从系统内部组织的相互作用和动力学行为来看，能形成耗散结构的系统以及其演化过程所服从的动力学方程都是非线性的。
在一些自组织现象如贝纳德流、激光、化学振荡的出现都是伴随着对称性破缺的突变现象，这些系统经历对称性破缺形成时空有序结构是自发进行的。
涨落是指系统中某个变量和行为对平均值所发生的偏离，它使系统离开了原来的状态或轨道。
生活中耗散结构的例子
生活中耗散结构的例子1. 车辆交通：在城市道路上，车辆的运动形成了一个耗散结构。
车辆在道路上移动，会受到交通信号灯、行驶规则和其他车辆的影响，形成了复杂的交通流。
交通流的形成和变化是非线性的，具有不可预测性和耗散性。
2. 人群行为：人群行为也是一个耗散结构的例子。
例如，在大型音乐会或体育比赛中，人们聚集在一起，形成一个庞大的人群。
人群中的个体相互作用，通过传递信息和影响他人的行为，形成了复杂的人群行为模式，如高潮、鼓掌、欢呼等。
3. 自然环境中的气候系统：气候系统是一个典型的耗散结构。
太阳能的输入、大气环流、地球表面的辐射平衡等因素相互作用，形成了复杂的气候变化。
气候系统具有自组织性和耗散性，表现为天气的不确定性和气候的长期变化。
4. 经济系统：经济系统也是一个耗散结构的例子。
市场经济中，供求关系、价格机制和竞争等因素相互作用，形成了复杂的经济运行模式。
经济系统具有不确定性和耗散性，表现为经济周期的波动和市场的不稳定性。
5. 生态系统：生态系统是一个典型的耗散结构。
生物种群之间的相互作用、能量流动和物质循环等因素相互作用，形成了复杂的生态系统。
生态系统具有自组织性和耗散性，表现为物种的多样性、生物群落的稳定性和生态系统的演替。
6. 社会网络：社会网络是一个耗散结构的例子。
人与人之间的社交关系、信息传递和资源共享等因素相互作用，形成了复杂的社会网络。
社会网络具有自组织性和耗散性，表现为社交圈子的形成、信息传播的速度和社会结构的演化。
7. 自组织团队：在工作和组织中，团队的形成和运行也是一个耗散结构。
团队成员之间的相互作用、任务分配和目标协调等因素相互作用，形成了复杂的团队动力学。
团队具有自组织性和耗散性，表现为团队的协作能力和成果的产生。
8. 生物进化：生物进化也是一个耗散结构的例子。
遗传变异、选择压力和繁殖等因素相互作用，形成了复杂的生物进化过程。
生物进化具有自组织性和耗散性，表现为物种的适应性和生态系统的多样性。
耗散结构的例子
耗散结构的例子耗散结构是指一个系统在不断地吸收能量和物质，同时也在不断地释放能量和物质，从而维持其稳定的状态。
这种结构在自然界中随处可见，下面列举了一些例子。
1. 大气环流系统：大气环流系统是地球上最大的耗散结构之一。
它通过吸收太阳能和地球表面的热量，产生气流和风，从而维持地球的气候和生态系统。
2. 水循环系统：水循环系统是地球上另一个重要的耗散结构。
它通过吸收太阳能和地球表面的热量，产生蒸发和降水，从而维持地球的水资源和生态系统。
3. 生态系统：生态系统是由生物和非生物因素相互作用而形成的一个复杂的耗散结构。
它通过吸收和释放能量和物质，维持着生物多样性和生态平衡。
4. 细胞：细胞是生物体内最基本的单位，也是一个典型的耗散结构。
它通过吸收和释放能量和物质，维持着生命的运转和稳定。
5. 城市：城市是人类社会中的一个典型的耗散结构。
它通过吸收和释放能量和物质，维持着人类社会的运转和稳定。
6. 交通系统：交通系统是城市中一个重要的耗散结构。
它通过吸收和释放能量和物质，维持着城市内部和城市之间的交通运输。
7. 电力系统：电力系统是现代社会中一个重要的耗散结构。
它通过吸收和释放能量，维持着人类社会的工业生产和生活需求。
8. 金融系统：金融系统是现代社会中一个重要的耗散结构。
它通过吸收和释放资金，维持着人类社会的经济运转和稳定。
9. 大脑：大脑是人类身体中最复杂的器官之一，也是一个典型的耗散结构。
它通过吸收和释放能量和物质，维持着人类的思维和行为。
10. 社会网络：社会网络是现代社会中一个重要的耗散结构。
它通过吸收和释放信息和人际关系，维持着人类社会的交流和互动。
耗散结构-热寂论
在决定性理论方面，以化学反应系统为例，耗散结构理论是在等温、等压、稳定的边界条件和局域平衡四个假定下，考察复杂的开放系统，根据系统服从的统计力学规律建立相应的方程。
用微分方程的稳定性理论已经证明：复杂的开放系统在平衡态附近的非平衡区域不可能形成新的有序结构，在这个区域内系统的基本特征是趋向平衡态。在远离平衡态的非平衡区域，系统可以形成新的有序结构，即耗散结构。这种耗散结构只能通过连续的能量流或物质流来维持，它是在热力学不稳定性上的一种新型组织，具有时间和空间的相干特性。这是一种与平衡条件下出现的平衡结构完全不同的结构。
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。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。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。其实生物体是一种开放结构，不断从环境中吸收能量和物质，而向环境放出熵，因而能以破坏环境的方式保持自身系统的稳定。城市也是一种耗散结构。
在物理学方面，耗散结构的概念扩大和加深了物理学中的有序概念。对不同物理体系中各种耗散结构的研究，丰富了热力学和统计物理学中关于相变的研究内容，开辟了新的研究领域，为物理学研究这些非平衡非线性问题提供了新概念和新方法。
在化学和生物学方面，化学反应系统和生物学系统中耗散结构的研究，为生命体的生长发育和生物进化过程提供了新的解释，提供了新的概念和方法。在系统科学方面，耗散结构理论利用数学和物理学的概念和方法研究复杂系统的自组织问题，成为系统学的一个重要组成部分。
耗散结构的研究揭示了一种重要的自然现象，并对复杂系统的研究提出了新的方向。在数学上描述复杂系统的方程通常是非线性的，一般包括分岔现象。耗散结构实质上对应于系统方程在远离平衡区的一个分岔解。因此，耗散结构的研究必然促进分岔理论的发展。
材料物理学第耗散结构
材料物理学第耗散结构引言材料物理学是关于材料特性和行为的研究。
这个领域的一个重要方面是了解材料的耗散结构。
耗散结构是指材料中能量消耗的微观层面结构。
这篇文档将详细介绍材料物理学中的耗散结构及其作用。
耗散结构的定义耗散结构是一种材料内部的微观结构，是指能够耗散能量的材料中的各种微观结构和机制。
耗散结构的种类很多，例如材料中的晶粒界面、液体层、位错、空隙、杂质等等。
耗散结构的作用材料中的耗散结构在应变或应力作用下能够吸收和散播能量。
这对于材料的特性和行为具有重要影响。
这样的结构能够耗散弹性能（即形变能），因此有助于材料邮编塑性形变和良好的韧性。
此外，在受到外部应力时，由于耗散结构的存在，材料中不会出现过大的局部变形，这可以防止材料断裂。
耗散结构的种类晶粒界面晶粒界面是材料中不同晶粒之间的区域。
由于不同晶格的周期性不同，晶粒界面能消耗和散播大量的应变能量。
晶界阻尼是由于晶界的相互作用导致的，是内部摩擦所产生的摩擦力。
液态区域液态区域是由于材料中存在的液态相而存在的。
与晶粒界面类似，液态区域能够吸收和散播应变和能量。
材料中的液态区域能够提供良好的韧性和抵抗断裂的能力。
此外，液态区域还能在材料加工中起到润滑作用，降低材料的内部摩擦。
位错位错是材料中的微小晶粒错位。
由于位错的发生和遭受，材料能够产生局部的形变，并以松弛等方式吸收能量。
位错的存在影响了材料的宏观形变和机械性能。
空隙空隙是材料中的孔洞或裂缝，它们能够吸收和散播应变能量。
空隙通常会导致材料的疲劳强度降低。
耗散结构是材料物理学中的一个重要方面，对于材料的特性和行为都有着重要的影响。
材料中的晶粒界面、液态区域、位错和空隙等耗散结构，能够吸收和散播应变和能量，从而提供材料的韧性和各种机械性能。
耗散结构
美 有 人 研 究 东 西 部人口的空间分 布规律
加 拿 大 人 员 研 究 捕鱼的最佳时间 荷 兰 科 学 家 研 究 能源的最低消耗 方案
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小组成员：苗庆祎，庞玉冬，朱力炜， 董怡霄
耗散结构
耗散理论，即耗散结从无序到有序的 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 。
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。
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。
在生活中的应用
耗散结构
耗散结构的基础知识
（2011.10.14）
一、耗散结构的基本概念
远离平衡态的开系（open system,即与外界既交换能量也交换物质的系统），通过耗散过程自发地出现空间结构或时间结构、时空结构的现象。
属于空间结构的如贝纳尔（Benard）对流，地幔对流；属于时间结构的如化学震荡等。
耗散结构的出现，说明系统对称性减小，因而变得更有序。
这说明耗散结构是一种自发的由无序向有序的转变，很类似于从液体变为晶体的相变。
因而称之为非平衡相变（因其发生在远离平衡态）；又因为这种有序结构是好像诸分子自发发生的宏观现象，故称其为自组织现象，相应地这种有序结构被称为自组织结构。
耗散结构的特点：
1）耗散结构一定发生在远离平衡态的开系中，而且一定出现在能量耗散系统中，它只能靠外界不断供应能量或物
质才能维持其存在。
而平衡相变产生的结构（如晶体中
的原胞结构），即便在封闭的孤立系统中仍能稳定存在。
2）耗散结构仅在控制参数（如温差、流速等）达到一定阈值而产生失稳时才突然出现。
3）耗散结构具有时间或空间结构，其对称性低于达到阈值前的状态，因而是一种非平衡相变。
4）耗散结构是一种非线性现象。
5）耗散结构虽是旧状态不稳定的产物，但它一旦产生，就
具有相当的稳定性，不会被任何小扰动所破坏。
耗散结构的上述特点，使人们认识到：不可逆过程虽然总是耗散能量，浪费有用功，但却可为有序的建立提供必要条件。
耗散结构
德州台风
巴西蝴蝶
第15页
耗散结构
耗散结构:非平衡突变中出现的自组 织的有序结构为耗散结构。
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。
生物学的有序性既指结构上的， 也是功能上的。在细胞的或超 细胞的水平上，通过一系列不 断增长复杂性和层次特点的结 构和耦合功能表现出来。
•熵增加是有序向无序转变； •系统能量不断贬值； •结构将变得缺少组织性，
随机性增加，
一个生命有机体,在不断地增加着它
的熵—你或者可以说是在增加正熵—并
我们所观察的自然现象不可逆性，与熵增加是一致的；熵 成为演变的指示器——时间之矢：对一切孤立系统，未来就 是熵增加的方向。
第4页
生命是什么？
神学家认为，生命是最大的奇迹， 人类生命是上帝宇宙计划的最高成就， 对科学家来说，生命是自然界最令人惊讶 的现象。
生物进化，其图像却截然不同， 指向了相反的方向。即，从简 单到复杂，从生命的“低级” 形式到“高级”形式，从无区 别的结构到层次众多、复杂无 比的结构，意味着从无序到有 序的演变。
第9页
开放系统
正是远离平衡态的研究,给热力学第二定律以新的 解释和重要补充。
这里遇到的运动方程是非线性的,而且必然存在耗 散,因而反映了不可逆的行为。
非线性
混沌 随机性
系统的行为对于 初始条件的微量 变化极其敏感
对流 系统△S<0
一个均匀的无结构的系统 出现了一个动态结构
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。
进化生态学名词解释耗散结构
进化生态学名词解释耗散结构
进化生态学名词解释
进化生态学是研究物种在适应环境变化过程中的演化和生态学关系的学科。
它主要探讨物种如何适应环境变化、如何利用资源、如何与其他物种相互作用以及这些过程如何影响物种的演化。
耗散结构
耗散结构是指一个系统在一个非平衡状态下，通过吸收能量和物质来维持自身稳定的结构。
这个概念最早由Ilya Prigogine提出，他认为所有开放系统都是耗散结构。
在自然界中，许多生命体系也可以被看作是耗散结构，例如人类身体、群落和生态系统。
耗散结构的特点
1. 非平衡状态：耗散结构存在于非平衡状态下，需要不断地吸收能量和物质来维持自身稳定。
2. 自组织性：耗散结构具有自组织性，可以通过内部机制自我调节和协调。
3. 多样性：耗散结构可以表现出多样性，不同的系统会因为吸收不同的能量和物质而呈现出不同的形态和行为。
4. 敏感性：耗散结构对环境变化非常敏感，小的变化可能会导致系统的崩溃或产生新的结构。
5. 开放性：耗散结构是开放系统，需要从外部吸收能量和物质来维持自身稳定。
耗散结构在进化生态学中的应用
在进化生态学中，耗散结构理论被广泛应用于研究生物群落和生态系
统的演化。
人类社会可以看作是一个耗散结构，人类通过吸收能量和
物质来维持社会稳定，并且社会内部具有自组织性和多样性。
同样地，一个生态系统也可以看作是一个耗散结构，它需要从外部吸收能量和
物质来维持自身稳定，并且具有自组织性和多样性。
通过研究生态系
统的耗散结构特征，可以更好地理解它们的演化过程。
耗散结构的名词解释
耗散结构的名词解释
嘿，你知道啥是耗散结构不？这可真是个超有意思的概念呢！比如说哈，就像一个热闹的集市（这就是耗散结构的一个类比例子哦），有各种各样的人来来往往，有卖东西的，有买东西的，还有闲逛的。
这个集市不是封闭的，它和外界有物质、能量和信息的交换呢。
耗散结构简单来说呢，就是一种远离平衡态的开放系统。
它能通过不断地与外界交换物质和能量，从混沌无序的状态逐渐形成一种有序的结构。
这多神奇呀！就好像一个原本乱糟糟的房间（又一个类比例子啦），经过你不断地整理和收拾，变得井井有条。
咱再想想大自然中的生态系统，那也是一种耗散结构呀！植物吸收阳光进行光合作用，动物吃植物或者其他动物，它们之间有着复杂的关系和相互作用。
这不就像一场精彩的舞台剧嘛（哈哈，这是隐喻哦），每个角色都有自己的位置和作用。
你看，我们人体不也是个耗散结构嘛！我们呼吸氧气，吃食物获取能量，然后身体的各个器官协同工作，让我们能正常地生活和思考。
这多了不起呀！
耗散结构可不是随随便便就能形成的哦，它需要一些条件呢。
比如说系统必须是开放的，要能和外界交流；还有系统内部要有非线性的相互作用，这样才能产生各种奇妙的现象。
总之，耗散结构真的是一个超级有趣又很重要的概念呀！它让我们更好地理解这个复杂多变的世界，也让我们对未来充满了期待呢！我的观点就是，耗散结构就像是一把神奇的钥匙，能打开我们对世界新的认知大门，让我们看到更多的精彩和可能！。
耗散结构的名词解释
耗散结构的名词解释
嘿，朋友们！今天咱来聊聊一个特别有意思的东西，叫耗散结构。
啥是耗散结构呢？简单来说，它就像是一个神奇的组织或者模式。
想象一下，有一个系统，它不是封闭的，而是能和外界不断地进行物质和能量的交换。
就好像一个人，要不断地呼吸新鲜空气、吃食物来获取能量，同时又会排出废物。
耗散结构有一些很特别的特点呢！它具有开放性，总是和外界有着联系，能把外界的好东西吸收进来，把不好的东西送出去。
这就像一个开放的社区，大家可以自由地交流和互动，让社区充满活力。
它还有非平衡性。
这可不是说它不平衡会摔倒哦！而是说系统内部各个部分的状态不是一样的，有的地方活跃，有的地方相对安静。
就好像一场热闹的聚会，有人在跳舞，有人在聊天，每个人的状态都不一样。
耗散结构还有非线性的特点呢！这意味着小小的变化可能会引起很大的不同，就像蝴蝶效应一样，一只蝴蝶扇动翅膀，可能会引发一场风暴。
那耗散结构有啥用呢？用处可大啦！在自然界中，很多生物系统就是耗散结构呀，它们通过和外界的交互不断地发展和进化。
而且在很多其他领域也都有它的身影呢。
比如说在社会系统中，一个开放、有活力的社会不就是一种耗散结构嘛！
你说这耗散结构是不是很神奇？它就像是大自然的一个秘密武器，让世界变得丰富多彩。
我们可以从中学到很多东西，比如要保持开放的心态，不断地吸收新的知识和能量；要接受变化，因为小小的改变可能会带来意想不到的结果。
所以呀，耗散结构真的很值得我们去深入了解和探索呢！。
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
耗散结构
一路走来，愿相亲相爱的人，相濡以沫，同甘共苦，百年好合。愿有情有意的人，不离不弃，相惜相守，共度人生的每 一个朝夕……直到老得哪也去不了，依然是彼此手心里的宝，感恩一路有你！
己先查看一遍，把用不上的部分页面 相互包容，相互懂得，才能走的更远。 相遇是缘，相守是爱。缘是多么的妙不可言，而懂得又是多么的难能可贵。否则就会错过一时，错过一世！ 择一人深爱，陪一人到老。一路相扶相持，一路心手相牵，一路笑对风雨。在平凡的世界，不求爱的轰轰烈烈；不求誓
删掉哦，当然包括最后一页，最后祝 言多么美丽；唯愿简单的相处，真心地付出，平淡地相守，才不负最美的人生；不负善良的自己。 人海茫茫，不求人人都能刻骨铭心，但求对人对己问心无愧，无怨无悔足矣。大千世界，与万千人中遇见，只是相识的 开始，只有彼此真心付出，以心交心，以情换情，相知相惜，才能相伴美好的一生，一路同行。
你越渴望的东西，也许越是无情无义地弃你而去。所以美好的愿望，就会像肥皂泡一样破灭，只能在错误的时间遇到错的人。 岁月匆匆像一阵风，有多少故事留下感动。愿曾经的相遇，无论是锦上添花，还是追悔莫及；无论是青涩年华的懵懂赏
识，还是成长岁月无法躲避的经历……愿曾经的过往，依然如花芬芳四溢，永远无悔岁月赐予的美好相遇。 其实，人生之路的每一段相遇，都是一笔财富，尤其亲情、友情和爱情。在漫长的旅途上，他们都会丰富你的生命，使
耗散结构的必要条件：
1。 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。基元间以及不同的 组分和层次间还通常 存在着错综复杂的相互作用
2。产生耗散结构的系统必须是开放系统，必定同 外界进行着物质与能量的交换。
耗散结构——精选推荐
耗散结构耗散结构是⾃组织现象中的重要部分，它是在开放的远离平衡条件下，在与外界交换物质和能量的过程中，通过能量耗散和内部⾮线性动⼒学机制的作⽤，经过突变⽽形成并持久稳定的宏观有序结构。
1969年，在⼀个理论物理学和⽣物学的国际会议上，普⾥⼽⾦在《结构、耗散和⽣命》①的论⽂⾥，正式提出了“耗散结构理论”。
1971年，他和格兰斯道夫合著的《结构的热⼒学理论，稳定性和涨落》②，更系统地阐述了他们得出的可能对事物随时间演化的⽅式做出判别的所谓“普适演化判据”。
在第⼀篇论⽂的开头，普⾥⼽⾦就指出： “⽣物学与理论物理学之间仍然存在着巨⼤的鸿沟，这是⾮常明显的。
按照某些著名⽣物学家的看法，在空间和功能两个⽅⾯的有序，乃是⽣命的基本特征。
⽣命问题当然是⼀个‘多体问题’。
因为有序的形成和维持包含着⼤量分⼦的联合作⽤。
但是，统计物理学在处理这种联合现象上，⽬前尚处于初期阶段。
…… 在⽣命系统中，新陈代谢和能量的耗散，很可能起着本质的作⽤。
” 普⾥⼽⾦说，他希望在热⼒学的唯象⽅法的基础上，去“讨论⽣物有序之源，还想说明⾮线性热⼒学的新近发展能够使⽣物学和物理学之间的鸿沟缩⼩。
” 普⾥⼽⾦区分了两种类型的结构，即“平衡结构”和“耗散结构”。
平衡结构是⼀种不与外界进⾏任何能量和物质交换就可以维持的“死”的有序结构；⽽耗散结构则只有通过与外界不断交换能量和物质才能维持其有序状态，这是⼀种“活”的结构。
普⾥⼽⾦-格兰斯道夫的判据指出，对于⼀个与外界有能量和物质交换的开放系统，在到达远离平衡态的⾮线性区时，⼀旦系统的某个参量变化到⼀定的阈值，稳恒态就变得不稳定了，出现⼀个“转折点”或称为“分叉点”，系统就可能发⽣突变，即⾮平衡相变，演化到某种其它状态。
⼀个重要的新的可能性是，在第⼀个转折点之后，系统在空间、时间和功能上可能会呈现⾼度的组织性，即到达⼀个⾼度有序的新状态。
例如在某些远离平衡的化学反应中，可以出现规则的颜⾊变化或者漂亮的彩⾊涡旋。
生物系统的耗散结构和自组织性质
生物系统的耗散结构和自组织性质生命的存在不仅仅是机械式的运作，而是一种充满活力的复杂体系。
生物体系中的耗散结构和自组织性质是生命系统的关键特征。
本文将重点探讨生物系统中的耗散结构和自组织性质，以及这些特征对生命体系的影响。
一. 什么是耗散结构？耗散结构是指生物体系的一种动态状态，它是通过消耗能量和物质，并将它们转化成生物体系所需的结构和功能的一种过程。
生物体系中的许多过程都需要耗散结构的支持，例如酶合成、代谢产物消耗和生长等生命过程。
耗散结构的产生是生物体系中不可缺少的过程，它保证了生命系统的正常运转。
二. 生物体系中的自组织性质自组织性是生物体系中的另一个重要特征。
自组织性是指生物体系中出现的结构和组织形式，是由于不同的生物体组件之间的相互作用和调节所形成的。
当生物体系中包含的成分相互作用的规律性达到一定的水平时，组织和结构中就会出现某种规律性。
生物体系中的自组织性质是一种较为普遍的现象，它有助于生物系统的功能完成和稳定性维持。
三. 耗散结构与自组织性的相互作用耗散结构和自组织性是生物体系中的两个重要特征，并且它们之间存在着相互关联和相互作用的关系。
首先，耗散结构可以促进自组织性。
由于耗散结构的存在，生物体系中每个组件的持续运动和代谢产生了相互之间的相互作用和调节。
这种相互作用和调节可以促进自组织性的产生。
例如，在一个生长的微生物群体中，每个微生物细胞之间都存在一定的相互作用，这些相互作用可以促使整个群体的生长和扩散。
其次，自组织性可以维持和调节耗散结构的运转。
由于自组织性的存在，生物体系中的各种组件可以相互协同和协调，这有助于保证耗散结构的完整和稳定。
例如，在一个细胞代谢网络中，各种代谢产物的转化和消耗需要通过复杂的调节控制才能保证正常进行。
最后，耗散结构和自组织性相互支持，维持了生物体系的动态平衡和稳定性。
生物体系中的组件之间的不断调节和适应可以使系统稳定，并能够应对外界变化。
同时，耗散结构的存在保证了生命体系中必需的物质和能量的不断供应。
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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。
XI’AN JIA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。
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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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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（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:
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。
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。
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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谢谢!
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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。
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。