第十七章耗散结构理论方法精品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PPT课件
• 定义： • 一个远离平衡的开放系统（力学的、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，在外界条件的变化达到一定的阀值时，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，这种在远离平衡情况下所形成的新的有序结构，称之为耗 散结构。
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• 企业中的正熵流生成于企业的内部矛盾之中;正熵是企业不稳定的源泉，正熵的 不断增加必然导致企业管理效益的降低。
• 企业的负熵是为了抵消正熵带来的不稳定性，从而维持企业管理的秩序与企业本 身的存在。
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• 1.系统的平远衡态离平衡态 ——非平衡是有序之源
• 定义：是指系统的宏观状态，在一定外界条件下不随时间的变化而变化。 • 它只在外界条件不变的情况下，处于有序的状态，外界条件稍有变化，它就会走向无序状态。在此状态下，
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• 耗散结构理论强调非平衡态是有序之源
这一点也明显的体现在企业发展的过程中了，比如， 我国近年来各地推行“裁员增效”，提出“竞争上 岗机制”，那么这种“竞争”就是一种非平衡态， 具体体现在企业内部，它也是存在的，工作人员为 了获得更高的工资或使自己级别职称得到提升，会 更加积极地努力，扩充自己的知识，提高自己的业 绩。最终会使企业的整体生产效率得到提高。
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结论
• 系统是一个开放的系统 • 系统是一个远离平衡态的系统 • 通过涨落的有序 • 远离平衡态系统内各要素之间存在着非线性的相互作用
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感谢您的观看！
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熵/负熵 ——系统有序度量的量度
• 熵的原意是热量被温度除的商。相同热量时温度高则熵小，温度低则是熵大。 • “熵是这样一个量，它在有耗散的情况中不停地增长，当所有进一步做功的
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
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
其原因在于：蝴蝶翅膀的运动， 导致其身边的空气系统发生变化， 并引起微弱气流的产生，而微弱 气流的产生又会引起它四周空气 或其他系统产生相应的变化，由 此引起连锁反应，最终导致其他 系统的极大变化。
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
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。
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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。
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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
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。
第十七章耗散结构理论方法
第十七章耗散结构理论方法耗散结构理论方法（Dissipative Structure Theory），最初由比利时物理学家普里高津（Ilya Prigogine）在20世纪60年代提出，是一种用于分析复杂系统的动力学理论。
该理论主要强调了系统内部的自组织过程、非线性相互作用和能量耗散对系统行为的影响。
根据耗散结构理论方法，复杂系统不是通过外部驱动力来维持稳态，而是通过内部非线性相互作用而形成自组织的结构。
这些自组织结构通常是开放的，能够通过与外界的物质、能量和信息交换来保持稳定的状态。
这种稳定性是通过系统内部的能量耗散来实现的。
耗散结构理论方法认为，当一个系统处于不稳定的状态时，内部的自组织过程会产生非线性相互作用，从而推动系统向稳态演化。
这种稳态具有高度的结构和组织性，并通过能量耗散来保持。
所以，耗散结构可以看作是一个稳定状态中的临界状态，它具有一定的开放性和不确定性。
耗散结构理论方法的一个重要应用是解释生物系统的自组织行为。
普里高津等科学家通过研究昆虫群体、细胞和生物体内相互作用的网络，发现生物系统的行为可以被解释为由耗散结构引起的自组织现象。
这些自组织现象包括动态的迭代过程、非线性反馈机制和自适应行为。
除了生物系统，耗散结构理论方法还可以应用于其他领域，如社会科学、经济学和物理学等。
在社会科学中，耗散结构理论方法可以用于解释社会系统中的自组织行为和集体行为的演化。
在经济学中，耗散结构理论方法可以用于研究市场系统的动态演化和经济周期的起伏。
在物理学中，耗散结构理论方法可以应用于解释非线性动力学系统的行为，如混沌现象和复杂性理论等。
总结来说，耗散结构理论方法是一种用于分析复杂系统的动力学理论。
它强调了系统内部的自组织过程、非线性相互作用和能量耗散对系统行为的影响。
耗散结构可以看作是一个稳定状态中的临界状态，它具有一定的开放性和不确定性。
该理论方法可以广泛应用于生物系统、社会科学、经济学和物理学等领域的研究中，有助于揭示复杂系统内在的演化规律和行为模式。
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
熵增原理与耗散结构ppt课件
• 生命的衰竭___ 疾病 生理失调 （熵增） • 生命的整个过程是熵增的结果。
19
企业的生命周期
• 创业期 • 成长期 • 成熟期 • 衰退期
20
从有序到混沌
能源
21
熵增不可逆 但可以延缓
22
熵增不可逆 但必须延缓
• 节能减排 • 循环经济 • 可持续发展
23
熵增不可逆 但可以延缓
热电联产：减少冷源损失
4
热力学第二定律 （克劳修斯 德国 1822－1888年）
热不可能自发地从低温传到高温 。
热不可能100%转化为功，热转 化为功需要附加条件---冷端损 失。
热机工作时，不但要有提供能
量的热源，还要有供释放低温
热量的冷源。
5
热力学第二定律
（开尔文 英国1824-1907 ）
在孤立系统中，不可能从单一 热源取热做功，而不产生任何 损失。
12
熵增
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是高温物体的热减量，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 熵增是一个自发的不可逆过程
13
能量守恒 但品位下降
• 火力发电---损失约60%的低
位热能，才将40%高位热能转化为 电（功）。
• 水泥---将有活性的石灰石变成
没有活性的混凝士。
• 塑料---将有大量化学能的石油
变成少能量的塑料。Q
• 钢铁---
14
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企业的生命周期
• 创业期 • 成长期 • 成熟期 • 衰退期
20
从有序到混沌
能源
21
熵增不可逆 但可以延缓
22
熵增不可逆 但必须延缓
• 节能减排 • 循环经济 • 可持续发展
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熵增不可逆 但可以延缓
热电联产：减少冷源损失
4
热力学第二定律 （克劳修斯 德国 1822－1888年）
热不可能自发地从低温传到高温 。
热不可能100%转化为功，热转 化为功需要附加条件---冷端损 失。
热机工作时，不但要有提供能
量的热源，还要有供释放低温
热量的冷源。
5
热力学第二定律
（开尔文 英国1824-1907 ）
在孤立系统中，不可能从单一 热源取热做功，而不产生任何 损失。
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熵增
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是高温物体的热减量，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 熵增是一个自发的不可逆过程
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能量守恒 但品位下降
• 火力发电---损失约60%的低
位热能，才将40%高位热能转化为 电（功）。
• 水泥---将有活性的石灰石变成
没有活性的混凝士。
• 塑料---将有大量化学能的石油
变成少能量的塑料。Q
• 钢铁---
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高等工程热力学 第六讲-耗散结构理论PPT课件
普利高津于1997年荣获了诺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”。
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。
第一节 耗散结构理论
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。
一 生命系统是耗散结构系统
人和动物在出生、成长、衰老、死亡；植物在出苗、 开花、结果、枯萎……随着时间的流逝，自然界在发 生着丰富多彩却一去不复返的变化。长期以来，人类 搞清了许多复杂的自然现象，但对人体本身的变化却 一直迷惑不解；人体从细胞到胚胎，通过不断提取营 养（大都是无序的小分子）变成了大分子有序的蛋白 质，这是一个从无序到有序的过程。食物中杂乱无序 的小分子物质是怎样构成了耳朵、鼻子、眼睛、四肢 等高度对称的、结构上有序、思维有序、功能有序的 人体呢？
第二节 生命与生态环境
二 维持生命活动负熵流
物质（碳水化
合物、净水）
生
能量（化学能）
命
物质（排泄物） 能量（热和功）
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。
第一节 耗散结构理论
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。
一 生命系统是耗散结构系统
人和动物在出生、成长、衰老、死亡；植物在出苗、 开花、结果、枯萎……随着时间的流逝，自然界在发 生着丰富多彩却一去不复返的变化。长期以来，人类 搞清了许多复杂的自然现象，但对人体本身的变化却 一直迷惑不解；人体从细胞到胚胎，通过不断提取营 养（大都是无序的小分子）变成了大分子有序的蛋白 质，这是一个从无序到有序的过程。食物中杂乱无序 的小分子物质是怎样构成了耳朵、鼻子、眼睛、四肢 等高度对称的、结构上有序、思维有序、功能有序的 人体呢？
第二节 生命与生态环境
二 维持生命活动负熵流
物质（碳水化
合物、净水）
生
能量（化学能）
命
物质（排泄物） 能量（热和功）
耗散结构
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。 3。 产生耗散结构的系统必须处于远离平衡的状 态。 4。耗散结构总是通过某种突变过程出现的，某种 临界值的存在是伴随耗散结构现象的一 大特征。
气功与耗散结构 (一)
脑电波的有序化： （开发智慧？）
人脑波涨落中有一种超慢几率波，遍布各个脑 区,频率不一。中国人体科学3卷1期指出: 与常 人组相比，气功组的S谱具有严密自组织的强谐 振结构（图1）。最佳状态时可达到全脑在一个 或一组频率上同步谐振—－“全脑相干”。
脑电波态
年长气功师 “周易”理论大家 临床治病的气功师
嫡 的概念首先是为描述宏观过程的不可逆性而引入的。 不可逆性究竟是怎么一回事呢?
试把一滴兰墨水滴到一杯静水中，兰色的墨水“分子”总是自动地向周围 扩散，最后全变成一杯均匀的浅兰色溶液，即达到墨水“分子”和水分 子的均匀混合。相反的过程，即墨水“分子”从初姑与水分子均匀混合 的溶液中自动聚集起来又凝成一滴浓的墨水的情况却从来汉有人看见过， 这就是在上节中提到的扩散过程的不可逆性。从分子的观点看，即使墨 水 “分 子”和 水分 子达到 最大 程度的 均匀 混合以 后宏 观状态 不再 变 化．但男水“分子”和水分子仍在不停地运动，并且单个分子的运动并 不受宏观条件曲限制。因此并不能绝对否认有墨水分子聚集起来的可能 性，不过完全聚集起来的可能性非常小。按照统计的语言，我们说墨水 分子完全聚集起来的几率非常小。
水加热过程中出现的耗散结构
上下温度的不平衡造成热 流浓度分布上的有序化。 非平衡是有序之源。
耗散结构理论PPT课件
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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】。
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
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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。
2021
3
可以用中国传统的阴阳 学说来描述热力学第二
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·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
·对有序结构，物质与能量是必需的， 但不是针对体系的特定部分。
·外部物质和能量是平均供给到体系的， 而体系确出现了各向异性的对称性破 缺。
·体系内存在的非线性相互作用是体系 演化出现有序结构的根本原因的特性
④ 分岔
·存在着发展演化的多种可能性，其表 现是体系存在着分岔或分支点现象
应用耗散结构理论来分析社会，为 人类寻求社会发展提供重要的途径
1、远离平衡态的社会系统才能发展
·社会生活中讲的平衡如生态平衡、经济综 合平衡与耗散结构理论中的平衡不同。
5、体系是一个非线性体系
·只有非线性体系才可能演化成为有 序的耗散结构系统
·判断体系是否非线性：组成部分不 仅在数量上而且在性质上要相互独 立且有相当的差异。
·组成体系的独立要素数量大于等于 三。
6、涨落
·涨落是耗散结构出现的触发器，但涨 落出现不可预测
·只有涨落出现在体系远离平衡态的区 域时，才能起到耗散结构触发器的作 用。
·微观的无序和宏观的对称性质紧密联系。 （如图）
Y
O
X
Z
O为坐标原心，正方匣对称中心
·平衡态热力学理论基础
热力学第零定律 热力学第二定律 热力学第一定律 热力学第三定律
① 假设一正方形匣子内孤立气体系统处于 平衡态，分子处于无规则运动状态。这 种杂乱的运动称为“无序”的微观运动。
② 当分子作无序运动时，匣内各部分温度、 压强、分子密度均匀分布，在上下、左 右、前后各个方向气体的物理性质相同， 任何一方面都没有区别于其它方向的特 殊性质。
·在某点存在着两个或两个以上的演化 分支
·分支把历史引入到科学的各个学科中
二、耗散结构分析方法
耗散结构分析方法：
通过稳定性分析找出体系可能失稳 的点或区域以此判断体系从无序进入有 序的情况。这个方法是一个非常适用的 方法。
1、耗散结构分析的基本概念
序与对称性密切相关，系统对称性越高， 有序度越低。
·克劳修斯与达尔文的矛盾：演化方向 的矛盾（进化与退化）问题
·在更大领域里，非线性问题和观念受 到重视
·对不可逆现象的关注的人增多，并意 识到它是新科学革命的重要突破口。
·建立了系统演化的过程观。演化过程 观的建立对于提出耗散结构理论具有 重要的哲学意义。
2、建立耗பைடு நூலகம்结构的概念特征
（1）“耗散结构”概念： ·远离平衡和非线性可能是推进系统产 生有序结构的有序之源； ·有序、稳定性和耗散之间存在着高度 非平凡关系； ·浮现在热力学分支不稳定性之上的有 序结构。 ·一般来说系统的对称性越高，有序度 越低。
第十七章 耗散结构理论方法
普利高津的耗散结构理论：
·1969年创立耗散结构理论 ·在解决什么情况或条件可以、可能出
现耗散结构的问题具有重要的方法论 意义。 ·在运用何种方法可以判断一个体系， 可以从无序的状态自发地、自主地演 化成为有序结构做出重要贡献。
一、耗散结构理论的基本思想
1、建立关于系统演化的过程观
3、体系外界输入的平权化 ·体系的外部输入不能针对体系的特定 部分，这是判断体系是否自组织地达 到耗散结构的条件。 ·判断条件是否被满足要对输入做必要 的分析。（各部分是否平均地得到输 入的能量和物质）
4、体系应该远离平衡态
·研究体系的各个组成部分是否均匀一 致。
·体系的各个部分之间的差异越大，体 系离平衡态越远。
（2）耗散结构特征：
①“活”的有序性结构 ·有序结构与晶体过程中形成的平衡结 构有极大不同。 ·由微观粒子的不停运动构成的宏观稳 定结构，是活的结构。需要外界不断 供给物质和（或）能量来维持和发展。 ·宏观不变的平衡结构是由微观粒子的 规则排列而成，所以结构是死结构。
② 对称性破缺
·所有从无序到有序的演化都出现对称 性破缺
1、体系开放
·体系建立一个活的有序结构，必须 不断地与外界进行物质、能量和信 息的交换。
·体系有输入和输出是判断体系开放 的条件。
2、体系开放的外界输入达到一定阈值
·当输入达到一定阈值，体系才可能向 耗散结构转化
·阈值具有可操作性，通过试探性尝试 以找到。
·不同体系阈值的量和性要具体问题具 体分析。
· 在孤立系统，如果在随着时间的推移， 左右两边的分子密度及各种物理性质 趋于均匀，最终达到“无序”和对称
的 “平衡态”。
·非平衡态引起对称性的破缺或各种有 序运动：开放条件维持这种对称性破 缺。
·出现耗散结构的重要条件：与系统 “稳定点”或稳定性区域有失稳可能
性 的条件。
三、耗散结构的条件判据
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
·对有序结构，物质与能量是必需的， 但不是针对体系的特定部分。
·外部物质和能量是平均供给到体系的， 而体系确出现了各向异性的对称性破 缺。
·体系内存在的非线性相互作用是体系 演化出现有序结构的根本原因的特性
④ 分岔
·存在着发展演化的多种可能性，其表 现是体系存在着分岔或分支点现象
应用耗散结构理论来分析社会，为 人类寻求社会发展提供重要的途径
1、远离平衡态的社会系统才能发展
·社会生活中讲的平衡如生态平衡、经济综 合平衡与耗散结构理论中的平衡不同。
5、体系是一个非线性体系
·只有非线性体系才可能演化成为有 序的耗散结构系统
·判断体系是否非线性：组成部分不 仅在数量上而且在性质上要相互独 立且有相当的差异。
·组成体系的独立要素数量大于等于 三。
6、涨落
·涨落是耗散结构出现的触发器，但涨 落出现不可预测
·只有涨落出现在体系远离平衡态的区 域时，才能起到耗散结构触发器的作 用。
·微观的无序和宏观的对称性质紧密联系。 （如图）
Y
O
X
Z
O为坐标原心，正方匣对称中心
·平衡态热力学理论基础
热力学第零定律 热力学第二定律 热力学第一定律 热力学第三定律
① 假设一正方形匣子内孤立气体系统处于 平衡态，分子处于无规则运动状态。这 种杂乱的运动称为“无序”的微观运动。
② 当分子作无序运动时，匣内各部分温度、 压强、分子密度均匀分布，在上下、左 右、前后各个方向气体的物理性质相同， 任何一方面都没有区别于其它方向的特 殊性质。
·在某点存在着两个或两个以上的演化 分支
·分支把历史引入到科学的各个学科中
二、耗散结构分析方法
耗散结构分析方法：
通过稳定性分析找出体系可能失稳 的点或区域以此判断体系从无序进入有 序的情况。这个方法是一个非常适用的 方法。
1、耗散结构分析的基本概念
序与对称性密切相关，系统对称性越高， 有序度越低。
·克劳修斯与达尔文的矛盾：演化方向 的矛盾（进化与退化）问题
·在更大领域里，非线性问题和观念受 到重视
·对不可逆现象的关注的人增多，并意 识到它是新科学革命的重要突破口。
·建立了系统演化的过程观。演化过程 观的建立对于提出耗散结构理论具有 重要的哲学意义。
2、建立耗பைடு நூலகம்结构的概念特征
（1）“耗散结构”概念： ·远离平衡和非线性可能是推进系统产 生有序结构的有序之源； ·有序、稳定性和耗散之间存在着高度 非平凡关系； ·浮现在热力学分支不稳定性之上的有 序结构。 ·一般来说系统的对称性越高，有序度 越低。
第十七章 耗散结构理论方法
普利高津的耗散结构理论：
·1969年创立耗散结构理论 ·在解决什么情况或条件可以、可能出
现耗散结构的问题具有重要的方法论 意义。 ·在运用何种方法可以判断一个体系， 可以从无序的状态自发地、自主地演 化成为有序结构做出重要贡献。
一、耗散结构理论的基本思想
1、建立关于系统演化的过程观
3、体系外界输入的平权化 ·体系的外部输入不能针对体系的特定 部分，这是判断体系是否自组织地达 到耗散结构的条件。 ·判断条件是否被满足要对输入做必要 的分析。（各部分是否平均地得到输 入的能量和物质）
4、体系应该远离平衡态
·研究体系的各个组成部分是否均匀一 致。
·体系的各个部分之间的差异越大，体 系离平衡态越远。
（2）耗散结构特征：
①“活”的有序性结构 ·有序结构与晶体过程中形成的平衡结 构有极大不同。 ·由微观粒子的不停运动构成的宏观稳 定结构，是活的结构。需要外界不断 供给物质和（或）能量来维持和发展。 ·宏观不变的平衡结构是由微观粒子的 规则排列而成，所以结构是死结构。
② 对称性破缺
·所有从无序到有序的演化都出现对称 性破缺
1、体系开放
·体系建立一个活的有序结构，必须 不断地与外界进行物质、能量和信 息的交换。
·体系有输入和输出是判断体系开放 的条件。
2、体系开放的外界输入达到一定阈值
·当输入达到一定阈值，体系才可能向 耗散结构转化
·阈值具有可操作性，通过试探性尝试 以找到。
·不同体系阈值的量和性要具体问题具 体分析。
· 在孤立系统，如果在随着时间的推移， 左右两边的分子密度及各种物理性质 趋于均匀，最终达到“无序”和对称
的 “平衡态”。
·非平衡态引起对称性的破缺或各种有 序运动：开放条件维持这种对称性破 缺。
·出现耗散结构的重要条件：与系统 “稳定点”或稳定性区域有失稳可能
性 的条件。
三、耗散结构的条件判据