耗散结构理论
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？
耗散结构论
在新技革命浪潮中代科学方法从系统论、控制论和信息论发展到耗散结构论‘dis-siPativestructuretheory)、协同论(SynergeticS)、突变论(Catastrophetheory)。
有人把前三者叫作“老三论”，后三者叫作“新三论”。
这种称谓有一定道理，但不够确切。
其实，“新三论”是系统论的继续与发展，不如统称“系统科学”为好。
系统科学发展到耗散结构论、协同论和突变论，标志着现代科学技术已进入高一层次的综合化、整体化的新阶段。
它们是人们认识客观事物内在因素及其与外部环境多维联系的有力工具，在情报学研究中已得到初步应用。
一、耗散结构论概述’1.古代的混沌一有序观中国古代哲学家认为自然界是从毫无秩序的一片混乱发展起来的。
在古人看来，世界之初“混沌相连，视之不见，听之不闻”，后来盘古开天辟地，使清者上升为天，浊者下沉为地，从而形成天地分明的秩序。
在印度古代世尊歌中，把上帝称为世界上最完美的东西，后来上帝创造出来的人，就不如上帝那样完美有序了，而人再繁衍下来的后代越来越不完美，越来越混乱了。
你若不信，就挣开眼睛看一看吧，世界上到处是饥饿、灾荒、欺诈和战争。
上述的看法反映了古代两种混沌一有序观:一种认为事物发展越来越有序;另一种认为事物发展越来越混乱。
2.无序与有序的概念什么是无序呢?无序就是混乱，指事物内部诸要素或事物之间混乱而毫无规则的组合，以及事物转化的无规则性。
什么是有序呢?有序指事物内部诸要素或事物之间有规则的组合、联系和转化。
如作物春生夏长，秋收冬藏，应时按节，花开花落，四季循环，周而复始。
自然界的事物究竟是从无序向有序发展，还是从有序向无序发展，这个问题在科学家中引起争论，典型的代表是克劳修斯与达尔文之争。
3.克劳修斯与达尔文之争克劳修斯(ClausiusR.)是著名的物理学家。
他认为世界是从有序向无序退化。
由他发现的热力学第二定律就是明证。
什么是热力学第二定律呢?首先，我们介绍一个物理量一嫡。
耗散结构论 百度百科
(2)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，在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。
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。
耗散结构理论提出后，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。著名未来学家阿尔文·托夫勒在评价普里戈金的思想时，认为它可能代表了一次科学革命。
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一、耗散结构论的产生
二、耗散结构论的几个基本概念
1. (1)远离平衡态
2. (2)非线性
3. (3)开放系统
4. (4)涨落
5. (5)突变
三、耗散结构论的基本思想
四、耗散结构论的重大缺陷
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五、对耗散结构论等的改造
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一、耗散结构论的产生
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，社会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，物理学家普利戈金创立了“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。
耗散结构理论
• 涨落现象触发了供应链耗散结构的形成
• 在供应链中的涨落现象可能是某种原材料的供给 引起的,也可能是在短时间内对某个产品的需求发 生变化。
• 以上这三个条件是相互紧密联系的。不向外开放, 供应链无法与外界进行物质、能量、信息的交流, 也就无法远离平衡态,供应链内子系统之间的任何
非线性相互作用也就不能使供应链系统远离平衡 态,系统的涨落也就仅能起稳定系统,使之处在平衡 态的作用,而无法形成有序状态;没有远离平衡,开 放也是没有用的,系统只能在平衡态附近,与外界的 交流也只是类似微扰的作用,不能使系统产生本质 变化;没有涨落,其它条件再具备系统也不会出现有 序结构。
• 依据系统论的观点,城市旅游是一个完整的系统, 而城市旅游系统具备形成耗散结构的理论基础:
• 1)开放性。城市旅游发展必须以旅游流的形式(包 括物质流、资金流、游客流、信息流等)不断与外 界发生各种联系。
• 2)远离平衡性。旅游是需求拉动型经济,城市旅 游系统必须随着需求结构与需求形式的不断更新 而发展。
• 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。
远离平衡态 ——非平衡是有序之源
• 1.系统的平衡态
• 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。
耗散结构 —— 一座城市的耗散结构
食品 燃料 日用品
产品 垃圾
• 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 的新的有序系统中某个变量自发的偏离某一平衡 态的现象，它使系统离开原来的状态或轨迹。
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
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。
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。
耗散结构理论
耗散结构理论.txt 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)。
可见，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。
协同论协同学（Synergetics）协同学亦称协同论或协和学，是研究不同事物共同特征及其协同机理的新兴学科，是近十几年来获得发展并被广泛应用的综合性学科。
它着重探讨各种系统从无序变为有序时的相似性。
协同论的创始人哈肯说过，他把这个学科称为“协同学”，一方面是由于我们所研究的对象是许多子系统的联合作用，以产生宏观尺度上结构和功能；另一方面，它又是由许多不同的学科进行合作，来发现自组织系统的一般原理。
客观世界存在着各种各样的系统；社会的或自然界的，有生命或无生命的，宏观的或微观的系统等等，这些看起来完全不同的系统，却都具有深刻的相似性。
协同论则是在研究事物从旧结构转变为新结构的机理的共同规律上形成和发展的，它的主要特点是通过类比对从无序到有序的现象建立了一整套数学模型和处理方案，并推广到广泛的领域。
它基于“很多子系统的合作受相同原理支配而与子系统特性无关”的原理，设想在跨学科领域内，考察其类似性以探求其规律。
哈肯在阐述协同论时讲道：“我们现在好像在大山脚下从不同的两边挖一条隧道，这个大山至今把不同的学科分隔开，尤其是把‘软’科学和‘硬’科学分隔开。
”协同学的创立者，是联邦德国斯图加特大学教授、著名物理学家哈肯（H旽aken）。
1971年他提出协同的概念，1976年系统地论述了协同理论，发表了《协同学导论》，还著有《高等协同学》等等。
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
耗散结构理论-MBA
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。
在一个非平衡系统内有许多变化着的因素，它们相互联系、相互制约，并决定着系统的可能状态和可能的演变方向。
这些因素可以归纳为两类：其一是广义流，其二是广义力；而且广义流依赖于广义力。
一般地说，这两类因素之间的相互依赖关系是一个复杂的非线性函数。
一个典型的耗散结构的形成与维持至少需要具备三个基本条件：一是系统必须是开放系统，孤立系统和封闭系统都不可能产生耗散结构；二是系统必须处于远离平衡的非线性区，在平衡区或近平衡区都不可能从一种有序走向另一更为高级的有序；三是系统中必须有某些非线性动力学过程，如正负反馈机制等，正是这种非线性相互作用使得系统内各要素之间产生协同动作和相干效应，从而使得系统从杂乱无章变为井然有序。
耗散结构理论下的校园文化系统
耗散结构理论下的校园文化系统在当今多元化的教育环境中，校园文化系统的构建与发展成为了学校教育工作的重要组成部分。
而耗散结构理论，作为一种研究复杂系统自组织现象的理论，为我们理解和优化校园文化系统提供了全新的视角和思路。
耗散结构理论是由比利时物理学家普利高津提出的，它指出一个远离平衡态的开放系统，在与外界进行物质、能量和信息交换的过程中，当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，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。
这种新的有序结构被称为耗散结构。
将这一理论应用于校园文化系统，我们首先要认识到校园文化是一个开放的系统。
它不断地与社会环境、家庭环境等外界因素进行着交流和互动。
学校不是一个孤立的存在，学生和教师的思想、观念、行为等都会受到外界的影响，同时学校也在向社会输出着自己的文化和价值观。
校园文化系统的物质层面是其基础组成部分。
这包括校园的建筑、设施、景观等硬件条件。
一个优美、舒适、富有文化内涵的校园环境，能够为师生提供良好的学习和工作氛围。
比如，宽敞明亮的教室、现代化的教学设备、充满书香气息的图书馆，以及绿树成荫的校园小径，这些物质元素不仅满足了教学和生活的基本需求，还能够潜移默化地影响师生的心境和行为。
然而，仅仅依靠物质层面的建设是远远不够的，还需要注重能量和信息的交换。
在能量层面，校园文化系统中的能量主要体现在师生的活力、创造力和积极性上。
学校通过组织各种教学活动、文体活动、社会实践等，激发师生的内在动力，使他们能够充分发挥自己的潜能。
例如，一场激烈的学术讨论、一次精彩的文艺演出、一次有意义的志愿者服务，都能够为校园文化系统注入新的能量。
同时，学校也要关注师生的身心健康，提供必要的支持和帮助，让他们保持良好的精神状态。
信息在校园文化系统中起着至关重要的作用。
学校要建立畅通的信息交流渠道，使师生能够及时获取和传递各种知识、思想和情感。
课堂教学是信息传递的重要途径，教师通过讲授、引导和互动，将知识和价值观传授给学生。
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。
耗散理论
耗散[hào sàn]耗散结构 (dissipative structure) 关于“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一个重要新分支，是由比利时科学家伊里亚·普里戈津(I．Prigogine)于20世纪70年代提出的，由于这一成就，普里戈津获1977年诺贝尔化学奖。
差不多是同一时间，西德物理学家赫尔曼·哈肯 (H．Haken)提出了从说明研究对象到方法都与耗散结构相似的“协同学”(Syneraetics)，哈肯于 1981年获美国富兰克林研究院迈克尔逊奖。
现在耗散结构理论和协同学通常被并称为自组织理论。
目录1简介2首先3第二4第三5贝纳德效应6第四7综述8天街、贝纳德效应以及贝洛索夫9广义1简介远离平衡态的开放系统，通过与外界交换物质和能量，可能在一定的条件下形成一种新的稳定的有序结构。
典型的例子是贝纳特流。
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。
这种稳定的有序结构称为耗散结构。
类似的有序结构还出现在流体力学、化学反应以及激光等非线性现象中。
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。
对于孤立系统，由热力学第二定律可知，其熵不减少，不可能从无序产生有序结构。
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。
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。
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耗散结构理论
耗散结构理论是指用热力学和统计物理学的方法，研究耗散结构形成的条件、机理和规律的理论。
耗散结构理论的创始人是伊里亚·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。
普里戈金的早期工作在化学热力学领域，1945年得出了最小熵产生原理，此原理和翁萨格倒易关系一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。
普里戈金以多年的努力，试图把最小熵产生原理延拓到远离平衡的非线性区去，但以失败告终，在研究了诸多远离平衡现象后，使他认识到系统在远离平衡态时，其热力学性质可能与平衡态、近平衡态有重大原则差别。
以普里戈金为首的布鲁塞尔学派又经过多年的努力，终于建立起一种新的关于非平衡系统自组织的理论──耗散结构理论。
这一理论于1969年由普里戈金在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。
耗散结构理论提出后，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。
著名未来学家阿尔文·托夫勒在评价普里戈金的思想时，认为它可能代表了一次科学革命。
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)。
可见，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。
(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。
平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀(从而系统内部没有宏观不可逆过程)的状态，它遵守热力学第一定律：dE=dQ-pdV，即系统内能的增量等于系统所吸收的热量减去系统对外所做的功；热力学第二定律：dS/dt>=0，即系统的自发运动总是向着熵增加的方向；和波尔兹曼有序性原理：pi=e-Ei/kT，即温度为T的系统中内能为Ei的子系统的比率为pi.
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。
前者可表述为：Lij=Lji，即只要和不可逆过程i相应的流Ji受到不可逆过程j的力Xj的影响，那么，流Ji也会通过相等的系数Lij受到力Xi的影响。
后者意味着，当给定的边界条件阻止系统达到热力学平衡态(即零熵产生)时，系统就落入最小耗散(即最小熵产生)的态。
远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态，这时其热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比，可能颇为不同，甚至实际上完全相反，正如耗散结构理论所指出的，系统走向一个高熵产生的、宏观上有序的状态。
(2)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，在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。
(3)开放系统
热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统绝不会出现耗散结构。
那么开放系统为什么会出现本质上不同于孤立系统的行为呢？其实，在开放的条件下，系统的熵增量dS是由系统与外界的熵交换deS和系统内的熵产生diS两部分组成的，即：dS=deS+diS
热力学第二定律只要求系统内的熵产生非负，即diS>=0，然而外界给系统注入的熵deS 可为正、零或负，这要根据系统与其外界的相互作用而定，在deS<0的情况下，只要这个负熵流足够强，它就除了抵消掉系统内部的熵产生diS外，还能使系统的总熵增量dS为负，总熵S减小，从而使系统进入相对有序的状态。
所以对于开放系统来说，系统可以通过自发的对称破缺从无序进入有序的耗散结构状态。
(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。
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。
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，所以普里戈金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。
(5)突变
阈值即临界值对系统性质的变化有着根本的意义。
在控制参数越过临界值时，原来的热力学分支失去了稳定性，同时产生了新的稳定的耗散结构分支，在这一过程中系统从热力学混沌状态转变为有序的耗散结构状态，其间微小的涨落起到了关键的作用。
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这种临界点附近的突变方式实现的。
一座城市不断有人外出和进入，生产的产品和原料也要川流不息地运人及运出。
这种与外界环境自由地进行物质、能量和信息交换的系统，称为开放系统。
当开放系统内部某个参量的变化达到一定阈值时，它就可能从原来无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上和功能上的有序状态，即耗散结构。
如一壶水放在火炉上，水温逐渐升高，但水开后水蒸气不断蒸发，壶中的水和空气就形成了一个开放系统，带走了火炉提供的热量，水温不再升高，达到了一种新的稳定状态。
耗散结构理论中的“开放”是所有系统向有序发展的必要条件。
如一个企业只有开放才能获得发展，这种开放不仅是输出产品，输入原料，而且涉及人才、技术和管理等方面。
不断引进入才和技术，不断更新设备，才能使企业充满生机和活力。