耗散结构理论及应用
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
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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。
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。
耗散结构理论在学术研究中的应用
耗散结构理论在学术研究中的应用一、引言耗散结构理论是比利时科学家普利高津在20世纪60年代提出的一种热力学理论，该理论揭示了系统从无序向有序转化的规律，为人们认识和掌握复杂系统的规律提供了新的思路和方法。
随着科学技术的不断发展，耗散结构理论在各个领域都得到了广泛的应用，尤其在学术研究中，该理论的应用越来越受到关注。
本文将探讨耗散结构理论在学术研究中的应用，以期为学术研究提供新的思路和方法。
二、耗散结构理论的基本原理耗散结构理论认为，一个远离平衡态的开放系统，在外界条件变化达到一定阈值时，可能产生从无序向有序的转化，即从混沌状态向一种稳定的有序结构的转化。
这种转化需要满足四个条件：系统必须是开放的，系统内部存在非线性相互作用，系统存在一定的涨落，系统必须远离平衡态。
只有满足这些条件，系统才有可能从无序向有序转化。
三、耗散结构理论在学术研究中的应用1.学科交叉研究中的应用学科交叉研究是当前学术研究的一个重要方向，不同学科之间的相互渗透和融合，能够产生新的研究领域和成果。
耗散结构理论可以为学科交叉研究提供新的思路和方法。
例如，在跨学科的研究中，不同学科的研究人员可以共同建立一个开放的系统，通过非线性相互作用，探索新的研究领域和问题。
同时，学科交叉研究需要关注研究过程中的涨落和变化，及时调整研究方向和策略，以实现从无序向有序的转化。
2.复杂系统研究中的应用复杂系统是指由多个子系统组成的、具有高度不确定性和非线性特征的系统。
复杂系统研究是当前学术研究的一个重要领域，而耗散结构理论可以为复杂系统研究提供新的思路和方法。
通过运用耗散结构理论，研究者可以更好地认识和理解复杂系统的结构和功能，掌握其演化的规律和趋势，为解决复杂系统中的问题提供新的思路和方法。
3.创新研究中的应用创新是学术研究的灵魂，而创新研究需要不断地探索和尝试。
耗散结构理论可以为创新研究提供新的思路和方法。
在创新研究中，研究者可以建立一个开放的系统，通过非线性相互作用和涨落，激发创新思维的产生和发展。
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？
举例说明耗散结构论
举例说明耗散结构论
耗散结构论是一种描述复杂系统演化的理论框架，它涉及物理、化学、生物、社会等多个领域。
下面以不同领域的例子来说明耗散结构论的应用。
1. 自然系统：
- 飓风的形成和演化过程是一个耗散结构，它通过吸收热量和水汽等能量，形成了一个自我维持的系统。
- 河流的形成和发展也是一个耗散结构，水流通过侵蚀和沉积等过程，形成了一个稳定的河道系统。
2. 生物系统：
- 生物进化是一个耗散结构，通过自然选择和遗传变异等机制，物种逐渐适应环境并演化出新的特征和功能。
- 生物群落的形成和发展也是一个耗散结构，不同物种之间通过竞争和合作等关系，形成了一个相对稳定的生态系统。
3. 社会系统：
- 市场经济是一个耗散结构，通过供需关系和竞争等机制，形成了一个动态的经济系统。
- 社会网络是一个耗散结构，人们通过交流和合作等方式，形成了一个复杂的社会关系网络。
4. 物理系统：
- 火焰的燃烧过程是一个耗散结构，通过燃烧产生的热量和化学反应等机制，维持了火焰的存在和演化。
- 自然界中的化学反应也是一个耗散结构，通过反应物之间的相互作用，形成了新的化合物和物质。
以上是一些耗散结构论的例子，它们展示了在不同领域中，复杂系统是如何通过吸收能量和物质等资源，形成自我维持的结构并演化的。
耗散结构论为我们理解自然和社会系统的演化过程提供了一种框架和思维工具。
通过研究耗散结构，我们可以更好地理解复杂系统的行为和特征，为解决实际问题提供指导和思路。
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。
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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
耗散结构理论在高等教育网络资源中的应用
结构 。 平衡结构是微观上每个子系统在不停地变化运动 ， 这种运 动构成 了系统宏观上的稳定 。
方面不断地 吸收大量的新知识信息 ，另一方 面大脑对 旧知识 信息会产生遗忘 。 如果不断吸收新知识信息的同时又不断运用 、
一
就会使遗忘减少到最小值 。因此 ， 在高等教育 因此 ，耗 散结 构 理 论 认 为系统 处 于 动 态 有序 就 必 须 满 足 四 巩 固旧知识信息 ， 中 网络 资 源 的利 用 使学 生 思 维 系 统 的 全方 位 开 放 ，可使 大 脑 处 个 条件 ： 一 ， 第 系统 必 须处 于开 放 状 态 ； 二 ， 第 系统 必 须 远 离平 衡 态； 第三 ， 系统内各要素非线性相互影响相互作用 ； 四， 第 系统各 于 足 够 积极 的思 维状 态 。 要素的非线性相互作用产生涨落影响整 个系统。这四个条件相 互联系 、 相互影响。 根据这些条件 ， 以把耗散结构简单概括为 ： 可 在非平衡条件下产生 的依靠物质 、 能量 、 信息不断输入和输 出来
ＣＡＮＧＳ ＡＮＧ
耗散结构理论在高等教育网络资源甲的应用
高 字
摘
要 网络 资 源 已成 为现 代 社会 的 必需 品， 别 是 高 等教 育 中 的 网络 资源 更是 成 为 主 流 ， 为 一个 具 有 自身 理 论 特 作
与实践特征的开放 系统， 耗散结构理论对 高等教育中网络资源 的应用具有可借鉴性和参考性。 高等教育的管理网络化， 教 学过 程 的全 面 开放 化 ， 建 思 维 系统 的 有序 结 构化 ， 过 非 线 性相 互 怍 用和 学生 主体 的“ 构 通 自组 织 ”使 管 理 系 统 和教 学过 程 ， 得 以有序 化 。
关键词 耗 散 结构 网络 资源 高 等教 育
耗散结构理论在中学生物教学中的应用
制 ，将 物 理 学 的演 化 规 律 与 生理 学规 律 初 步 地 结合 起 来 。所 谓 耗 散 结 构 是 指 一 个 远 离 平 衡 态 的开 放 系 统 ，
通 过 不 断 与 外界 交换 物 质 、 能量 和 信 息 ，从 原 有 混沌
协 调 与 不 断 完 善 的功 能 ，即 具 有 信 息 运 动 的 自组 织 性 。
（１）注 重 培养 学生 学 习生 物 学 的 非智 力 因素 ，即学 习 动 力 、学 习兴 趣及 对 教 师的 情 感 ，使 学 生 想 学和 爱 学
生 物 ： （ ）多 创 造 条 件 ， 引 导 学 生 进 行 生 物 学 实 践 ２
题 也 很 少 被 反 映 出来 ，造 成 学 生 死记 硬 背 的 多 ，对 所
学 的 生 物 学 知 识 难 以消 化 ，一 知 半 解 。 应 对 措 施 如 下 ：
性 和 新 的 有 序 性 ； 系统 内 部 活 动 的 非 线 形 和 自组 织
性 。耗 散 结 构 形 成 的 基 本 条件 是 系统 必须 是 开 放 性 的 且 远 离平 衡 态 ； 内在 动 力及 机 制 是 系 统 内部 信 息 的 非 线 性相 互作 用 和 随 机 涨 落杠 杆 机 制 。 人 类 大脑 的思 维 活 动 系统 是 一 种 信 息 运动 系统 ， 因此 有其 信 息 运 动 的 内 在机 制 ：人 具 有 积极 的能 动 性 ，大脑 思 维 具 有 自我
产 生 共 鸣 。 这 样 ，学 生 的 认 知 结 构 就 会 随 着 认 知 矛 盾 的 解 决 而进 入 更 高 的 有 序 状 态 。 因 此 ，在 生 物 教 学 中 ，应 根 据 学 科 特 点 、 教 学 内容 和 学 生 的 具 体 情 况 ，想 方 设 法 构 建 出 思 维 的 非 平 衡 状 态 。 笔 者 认 为 ， 要 使 学 生 思 维 系 统 处 于 高 度 非 平 衡 状 态 ，应 采 取 如
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
耗散结构理论在企业的运用方面
耗散结构理论在企业的运⽤⽅⾯ 你知道耗散结构理论是什么吗?耗散结构是在远离平衡区的⾮线性系统中所产⽣的⼀种稳定化的⾃组织结构。
下⾯，店铺来为你介绍耗散结构理论的运⽤和启⽰。
耗散结构理论的含义 耗散结构的概念是相对于平衡结构的概念提出来的，它提出⼀个远离平衡态的开放系统，在外界条件发⽣变化达到⼀定阈值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界交换能量与物质，就可能从原来的⽆序状态转变为⼀种时间、空间或功能的有序状态。
耗散结构理论成功地引⽤到某些系统。
⼀座城市可看作⼀个耗散结构，每天输⼊⾷品、燃料、⽇⽤品等，同时输出产品和垃圾，它才能⽣存下去，它要保持稳定有序状态，否则将处于混乱。
现代经济系统也是⼀个⾮平衡的开放系统，系统内部各部门的联系是⾮线形的，存在着有规律的经济波动和⽆规律的随机扰动，因此也是⼀个耗散结构。
20世纪70年代，⽐利时物理学家普利⾼津提出了耗散结构学说，这也是⼀种系统理论。
耗散结构的概念是相对于平衡结构的概念提出来的。
长期以来，⼈们只研究平衡系统的有序稳定结构，并认为倘若系统原先是处于⼀种混乱⽆序的⾮平衡状态时，是不能在⾮平衡状态下呈现出⼀种稳定有序结构的。
普利⾼津等⼈提出：⼀个远离平衡的开放系统，在外界条件变化达到某⼀特定阈值时，量变可能引起质变，系统通过不断与外界交换能量与物质，就可能从原来的⽆序状态转变为⼀种时间、空间或功能的有序状态，这种远离平衡态的、稳定的、有序的结构称之为“耗散结构”。
这种学说回答了开放系统如何从⽆序⾛向有序的问题。
? 耗散结构理论的运⽤⽅⾯ 耗散结构理论主要讨论了系统在与外界环境交换物质和能量的过程中从混沌向有序转化的机理、条件和规律。
它深⼊浅出地揭⽰出世界上⼀切事物的本质，也包括企业管理。
对于现代企业组织来讲，最基本的过程就是"投⼊——产出"，⼀⽅⾯是原材料的购进，能源的持续输⼊，另⼀⽅⾯通过加⼯后形成产品，在市场尽快地销售以使资⾦很快地回收。
学术研究中的耗散结构理论
学术研究中的耗散结构理论一、引言耗散结构理论是一种现代系统科学理论，它描述了一个远离平衡态的开放系统在内外因素作用下通过不断与外界交换能量和物质，逐渐形成有序结构的机理和过程。
这一理论在许多领域都有广泛的应用，特别是在自然科学和社会科学领域。
本文将就耗散结构理论在学术研究中的应用进行探讨。
二、耗散结构理论的基本概念耗散结构理论的主要观点是，一个远离热力学平衡态的开放系统，在一定条件下，通过不断与外界交换物质和能量，可以在系统内部产生新的有序结构。
这种有序结构的产生依赖于系统的不断变化和演进，同时也受到外部环境的影响。
耗散结构理论的四个基本要素包括：1.一个远离平衡态的开放系统；2.涨落是系统从混沌到有序的关键因素；3.系统通过与外界交换物质和能量来维持自身的稳定性；4.系统达到临界态后，出现有序结构的可能性大大增加。
三、耗散结构理论在学术研究中的应用1.学科发展研究：学科发展是一个动态的过程，涉及到诸多因素。
耗散结构理论可以用来解释学科发展的内在机制。
例如，一门学科在形成初期，由于缺乏足够的积累和规范，往往是混沌无序的。
随着时间的推移，学科不断与外界交流和吸收新的知识，逐渐形成自身的特点和规范，最终形成具有特定结构和功能的学科体系。
在这个过程中，学科内部的涨落和外部环境的影响起着重要的作用。
2.学术生态系统研究：学术生态系统是一个复杂而开放的体系，各种学术资源、学者、机构等元素之间相互作用、相互影响。
通过运用耗散结构理论，我们可以更好地理解学术生态系统的运行机制和演化过程。
在这个系统中，不断有新的元素加入，也有旧的元素退出，这些变化会引发系统内部的涨落。
当系统处于远离平衡态时，新的元素更容易被纳入到系统中来，而那些处于平衡态的元素则更容易被淘汰。
因此，一个健康的学术生态系统必须保持开放和动态变化，以适应环境的变化和自身的发展。
3.知识管理研究：知识管理是学术研究的重要领域之一。
耗散结构理论可以为知识管理提供新的视角和方法。
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。
浅谈耗散结构理论在化学教学中的应用
浅谈耗散结构理论在化学教学中的应用摘要：学生在初中阶段学习化学的过程，实际上是将表面上杂乱无序的大量化学基础知识，根据其内涵、本质及内在相互联系，逐步变成有序的知识结构的过程。
本文依托耗散结构理论，分析、探讨了该理论在中学化学教学中的一些应用。
关键词：耗散结构；非稳态；自组织耗散结构理论可以概括为：一个远离平衡态的非线性系统通过不断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”。
学生在初中阶段学习化学的过程，实际上是将表面上杂乱无序的大量化学基础知识，根据其内涵、本质及内在相互联系，逐步变成有序的知识结构的过程。
不难理解，由教师和学生共同组成的高效益的化学教学系统就是一个耗散结构。
因此，如果将耗散结构理论应用到化学教学过程之中，将会更有效地提高教学效率，将会给初中化学教学带来勃勃生机。
那么该如何将耗散结构理论运用于化学教学中呢？1.拓展教学时间和空间，增加信息输入量，开放学生思维系统耗散结构理论认为，提高系统有序度的关键是系统的开放。
只有通过与外界不断进行物质、能量和信息的交流，系统才具有勃勃生机，才能不断向前发展。
因此，在整个化学教学中必须促进学生思维系统的全方位开放，更加广泛而有效地获得更多的化学信息，从而使学生的大脑始终处于积极主动的思维状态。
要有效地开放学生的思维系统，必须拓展教学的时间和空间，拓宽教学的视野，增大信息的输入量。
教师要把课堂教学和课外学习结合起来，把理论学习和观察实践联系起来；把化学教学从课堂延伸到课外，从校内扩展到校外。
1.1 在生活中获取信息教师可以让学生关注自己的日常生活、衣食住行，分析在生活中存在的各种化学知识和原理，通过生活学生既可以巩固在课堂中学习到得一些化学知识和原理，也可以不断地获得一些自己并不知道的化学知识。
耗散结构理论与教育
利用非线性构建自组织性
• 耗散结构理论显示在系统发展至临界点时 系统内外结构经历着前所未有的巨变。此 时系统内各组成部分也承受着着巨大压力。 以被管理者尤甚，此时被管理者必须摆脱 以往的就有规律的束缚，充分发挥主观能 动性，积极调试自己，不断为自己“充 电”。从而顺利度过危机，完成质变。
日常班级管理中的耗散结构理论
二、耗耗散结构与教育
与教育领域相关的耗散结构理论 概念
• • • • • 远离平衡态 非线性 开放系统 涨落 突变
利用非线性构建自组织性 建构开放性系统
教育系统的内部涨落
教育领域中量变引起质变的 观点
远离平衡态
• 普里高津将状态分为三种：远离平衡态、近平衡 普里高津将状态分为三种：远离平衡态、 平衡态。 态、平衡态。 • 远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀 的状态，此时系统貌似会走入崩溃的边缘， 的状态，此时系统貌似会走入崩溃的边缘，但恰 恰相反的是，系统走向一个高效能产生的、 恰相反的是，系统走向一个高效能产生的、宏观 上有序的状态。 上有序的状态。 • 耗散结构理论所对应的热力学现象发生时，系统 耗散结构理论所对应的热力学现象发生时， 必需处于远离平衡态。 必需处于远离平衡态。
非线性
• 在系统面临崩溃的临界点时，正是系统的 非线性作用通过一系列复杂反应控制系统 安然越过临界点，使系统稳定到新的耗散 结构上。
开放系统
• 耗散结构理论将系统分为两种：开放系统 和封闭系统。封闭系统在面临崩溃时不能 引入新的能量和物质，最后只能消亡。而 对于开放系统来说，系统可以通过吸收外 界新的物质和能量，自发地从无序进入有 序的耗散结构状态。
抓住系统的内部涨落契机
• 耗散结构理论告诉我们系统时刻处于涨落的运动之中。教 育系统的发展实质是内部涨落发生并发的过程。因此，进 行教育系统的管理时，必须认真研究涨落，特别注意在当 教育系统处于临界点、关键点时，必须及时创造条件，促 进和扩 某种涨落，因势利导，促使其向健康的方向跃进。 首先，管理主体应有敏锐的观察力，从 被管理者的生活、 学习、工作各方面收集信息、分析信息，了解他们的综合 状况，这是引导的前提。在目前要特别关注 被管理者因 为个性因素、人际交往障碍、生活贫困、等原因造成的各 方面的任何意外和变化，深入把握其变化的脉搏。其次， 学会做过细的工作，不放过任何蛛丝马迹，不忽视 被管 理者所发生的任何意外和变化。再次，管理主体应科学研 究和预测被管理者变化的发展趋势或事态可能发展的方向， 有针对性地做好防范于未然的工作，从而有效地避免系统 发生“巨涨落”。
自组织理论、耗散结构
自组织理论关注的是系统如何自发地形成有序结构和功能， 强调系统内部的自主性和自我完善能力。它不依赖于外部指 令或预设模式，而是通过内部相互作用和演化，实现从无到 有的结构和功能的涌现。
自组织特性
总结词
自组织具有自主性、开放性、非线性、远离平衡态等 特性。
详细描述
自组织的自主性是指系统内部各要素具有相对独立性， 能够自主地进行决策和行动；开放性则指系统与外界环 境保持物质、能量和信息的交换，以维持系统的动态稳 定；非线性则说明系统内部各要素之间的相互作用是非 线性的，这种相互作用导致系统整体的行为无法简单地 通过各部分的性质来预测；远离平衡态则强调系统内部 各要素之间的差异和不平衡，这种不平衡状态是系统自 组织演化的驱动力。
宇宙学
宇宙中的星系、星云等结构是通过自组织和耗散过程形成的，这些 过程包括引力、电磁力等相互作用。
固体物理学
固体中的晶体结构、缺陷和相变等现象也是通过自组织和耗散过程形 成的，这些过程涉及到原子或分子的相互作用和能量交换。
化学领域的应用
01
化学反应动力学
化学反应的动力学过程涉及到反应物分子的自组织行为和能量的耗散，
理论发展
随着研究的深入，科学家们不断发展和完善耗散结构理论，将其应用 于更广泛的领域，如生物学、经济学和社会学等。
03 自组织理论与耗散结构的 关系
自组织理论与耗散结构的相似性
强调系统内部自发的秩序和结构
自组织理论和耗散结构都认为系统在一定条件下能够自发地形成有序的结构和功能，而不 是完全由外部因素决定。
果。
耗散结构理论的发展历程
早期探索
耗散结构理论的起源可以追溯到20世纪初，当时的一些科学家开始研 究热力学中的一些问题，发现了开放系统的自组织现象。
供应链中耗散结构理论应用探索
该值越大结构越混乱 ， 熵值越小结构越有序 ， 对一个组织而言 应该尽量从外部引入负熵 以保持组织 管理结构 的有序。玻尔 兹曼函数式 ，即 ｓ Ｋｌｗ 可以衡量一个系统的熵值大小 ， ：ｌ ｌ ｎ ｓ为 系 统 的熵 值 ， Ｒ Ｋ 为玻 尔兹 曼 常量 ， 为 宏 观状 态 对应 的系 统 的 ｗ
２ 对供 应 链 进 行 耗散 结 构 分析
２． 耗 散 结 构 理 论 概 述 １
普里高津教授针对平衡结构提出 了耗散结构概念 ，他指 出一 个 远 离平 衡 结 构 的 开放 系统 不 断 与 外 界 交换 能量 可产 生 自组织系统 。该系统 中各子系统之间产生非线性作用 ， 从而由 原来 的无序状 态转变为一种有序结构 ， 该结构 即为耗散结构 。 该 结 构 与 平衡 结 构 的不 同之 处 在 于 它 不 是 一 种 静 止 的 平衡 状
缺少任何一个 ， 该供应链都无法运行 。 其次 ， 供应链不是平衡的 ， 一条供应链 内部的供应商 、 生 产商 、 零售商 以及消费者之间是竞争和合作 的关系 ， 永远都存 在着博弈。他们之间 的平衡是一种动态的平衡 ，随时都在变 化， 小到合作方式 和利润分 配， 大到合作成员 的变更 ， 这些都 是 不 断 变 化 的 ， 且 成员 之 间 不 是 简单 的线 性 关 系 ， 而 他们 的合 作 方式往往是非线性 的， 多方合作 、 多方监督甚至合 作方互持 股 票 等 等都 是 非 线性 的关 系 。 最后 ， 供应链内部和外部随时都存在着涨落 ， 如内部生产 成本、 利润 、 成员变更 、 外部原材料紧缺 、 品市场变化以及一 产
要将多还有待大家探讨并且该方法中也存在一定的缺陷即对各因条供应链进行比较就必须对它们的状态进行分析并且要选素对供应链的影响度比较难确定可能需要专家打分这也就择合适的共同指标对这些指标进行处理然后计算出各条供使得该方法的定量分析是建立在定性分析的基础上的
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耗散结构与其主要特征
耗散结构 一个远离平衡的开放体系 ,通过与外界交换物质和能量 ,
在外界条件变化达到一定阈值时,能从原来的无序状态变为时间、 空间或功能的有序状态, 这种非平衡条件下的、稳定的、有序的 结构。
物质可进出
能量பைடு நூலகம்进出
开放系统
耗散结构与其主要特征
有耗序散结构
微观上 有序
不随时空 变化
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， 这种有序状态是在系统远离平衡态，或 者说是在不可逆的耗散过程足够强烈的情况 下出现的，这就是普列高津的耗散结构。
非线性
耗散结构与其主要特征
非线线性性
例当如X f=(0 时X ,,表A)示=(体A系-处Ac于)无X序态(热力 那学么平衡:状态或线性非平衡态) 此当方X程≠只0有时一个,表定示态体解系处X 于=0有,表序明态体(非 系线处性于非无平序衡态,。即根耗据散数结学构状上态的稳 ) 定性 理论分析得出 : 当时间 t 趋于无穷大 时, 序参量 X 最终只有零( 稳定)和无 穷大( 失稳) 两种归宿 ,不可能引伸出 耗散结构分支来。这反应在体系的行为 上 ,就是该无序态的体系不存在分叉与 突变等非平庸行为 。
熵变与平衡态
远离平衡态
远离平衡的状态是指，当外界对系统的作用过于强烈，作用与 响应是非线性的关系时的状态。
非线性非平衡态是热力学发展的第三个阶段。研究这一类不可 逆过程的发展方向，不可能依靠纯粹的热力学方法来确定，必须研 究系统的动力学行为(用非线性微分方程)，处理过程很复杂。
熵变与平衡态
分支现象
耗散结构的特性
开开放放系 系统统
随机
耗散
远离平
涨落
结构
衡态
非线性
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
“死”结 构
T2
宏观上 有序
运动变化 中的
“活”结 构
T1
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
开放 系统
随机
耗散
远离平
涨落
结构
衡态
非线性
耗散结构与其主要特征
开放 对开放系统，熵系流统des视外界边作用不同，可以大于、等于、小于
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。
作用和响应二者之间有简单地线性关系。系统偏离平衡态，也 是一种稳定的状态，称为线性非平衡定态。例如，金属杆两端维持 恒定的温度T1和T2，并且T1>T2，最终杆中温度分布恒定不变，即达 到定态。
普列高津对线性非平衡态作了深入系统的研究，提出了最小熵产生 原理：在偏离平衡态较小和一定的外部控制条件下，系统达到相应 的非平衡定态，系统熵产生具有最小值。
激光 生命系统 BZ反应
自组织现象
在一水平放置扁平容器中放一薄层液体，在底部均匀地加热，起初 液体内部存在上冷下热的温度梯度，只有热传导，液体没有任何宏观运 动，内部分子作无规则的热运动。
当温度梯度达到某一临界值时，静止的液体出现许多规则的六边形 对流花样。
贝纳德对流 激光 生命系统 BZ反应
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。
普利高津把体系的非平衡态划分为线性非平衡态(近平衡态)和非 线性非平衡态(远平衡态) 两部分。横坐标λ表示外界对系统的控制参 量，纵坐标X表征系统定态的某个参量。
图中X0表示平衡态，随着λ偏离λ0，X值也就偏离平衡态值X0。 当λ较小时系统的状态类似于平衡态且具有稳定性。
所有表示这种非平衡定态的点形成的线段a，称为稳定热力学 分支。
熵变与平衡态
开放系统的熵变
当系统内部经历了可逆变化时dis=0，当系统 经历了不可逆变化时，dis>0于是，总有dis≥0对 孤立系统，由于des=0，所以，ds=dis ≥ 0
这就是熵增加原理的表达式。
T2
T1
熵变与平衡态
平衡态
当系统在外界的作用下，例如产生的温度梯度或密度梯度不大， 在系统内部的不可逆响应，如产生了热流或物质流。
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。
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
开开放放系 系统统
随机
耗散
远离平
涨落
结构
衡态
非线性
耗散结构与其主要特征
体系处于非平衡态 , 其内部必有“流”和“势”存在着的宏 观动力学过程。从数学上来看 ,一个动力学过程可用一组微分方 程来描述 。
耗散结构与其主要特征
非线性
由此可见, 非线性项的物理意义就是体系内的非线 性相互作用, 即体系内的各部分(或各子系统) 间产生
这种的非协同线作性用的和相相干互效应作。用能促使体系从量变
到质变这种,相演互化作用到是新彼此的相干时耦空合反有馈序式的结, 因构此。也叫 非线性的正反馈机制。
耗散结构与其主要特征
耗散结构理论
孙正卫 崔傲 李菁伟
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
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
熵变与平衡态
物质不能进出
能量不能进出
封闭系统
熵变与平衡态
物质可进出
能量可进出
开放系统
熵变与平衡态
开放系统的熵变
对开放系统来说，熵的变化由两部分组成： 一部分是系统内部本身由于不可逆过程引起的， 称为熵产生dis，这一项永远是正的；
开放系统 另一部分是系统与外界交换物质和能量引起的， 称为熵流des，这一项可正、可负。 这样，开放系统总熵的变化，可表示为两项之 和 ds = dis + des。