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
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。
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。
耗散结构理论在初中数学教学中的应用
耗散结构理论在初中数学教学中的应用耗散结构理论认为:一个远离平衡状态的开放系统,只要通过不断交换物质与能量,在外界条件变化达到一定的阈值时,系统可以产生突变(实际上是一次飞跃——质变),从原有的混沌无序状态转变为更高级的有序状态,有序的组织可以通过一个自组织过程从无序和混沌中自发地产生出来,这种在远离平衡情况下形成的新的有序结构,依靠不断地耗散外界的物质和能量来维持,以实现效率的提升. 耗散结构理论推出后,许多行业都在其中找到了精髓和落脚点,在实践中取得了显著成效. 目前初中数学教学中倡导素质教育,要实现这一目标,必须充分培养学生的兴趣,即从教学以外输入持续学习的能量,通过教学组织的有序保持,使学生形成一个有序的、稳定的自组织过程,从而提高教学的质量,达到教师有效教学与学生有效学习的可持续良性互动. 耗散结构理论可以提高有效教学的“效率”,使学生的学习绩效得到显著提高. 经过几年的教学探索,笔者有如下体会.一、以学生为主体,突出教学的绩效在传统教学中,教师是中心,从上课到下课,学生只需被动地“记”,从而压抑了学生的积极性、主动性、创造性. 耗散结构论恰恰相反,它十分强调学生在学习过程中的自组织过程,认为学生学习过程中的这个自组织过程是教师不应当也不可能越俎代庖的. 耗散结构理论进一步明确了学生在学习中的主体地位,让学生最大限度地动口、动手、动脑、自组织地参与到学习中来,彻底改变了以教师为中心的一言堂教学状况.事实证明:学生自己总结出来的规律易记好用,而且印象深刻长久. 数学教学要从“老师要求我做”的误区中解脱出来,要不断培养学生“我要自己做”的进取心和主动性. 俗话说:“师傅领进门,修行在个人. ”这个“修行在个人”就是耗散结构论中指出的相对应的“自组织过程”——这是未来创造性人才不可缺少的素质.耗散结构理论渗透到初中数学教学中,从根本上摆正了学生主体的位置. 学生在长期学习实践中,分析研究知识信息,探索知识“黑箱”内部的关系和规律,打开知识“黑箱”,变成白箱或灰箱(部分被打开的知识“黑箱”)就使其思维达到更深的层次. 同时,也触发了学生打开面临更广泛、更深刻的新的黑箱群的愿望,学生的认识便可从黑箱—白箱—新黑箱……的不断螺旋式上升中接近真理.二、以平等沟通为平台,互动中实现有效教学初中数学教学中使用的传统教材有一个共同的特征:即针对该问题有一个“封闭”的答案,问题的设计也要保证其答案正确,并且正确答案是唯一确定的. 教学过程中教师与学生之间缺乏平等的信息沟通、交流,输入学生头脑中的信息没能得到及时、有效的反馈,学生学习的思维过程易造成僵化和呆板,无法培养学生的主动性和积极性.如何添好辅助线历来是学生学习平面几何的老大难问题,其症结在于教师课堂上添一条,学生依样画葫芦画一条,为什么要这样添?还有没有其他的添法?如果是封闭式教学,学生往往一头雾水,而如果在有效教学中应用“耗散结构论”,这类问题往往迎刃而解.例1:如图1,已知D是等腰Rt△BAC内一点,BA=BD=AC,∠ABD=30°,求证:AD=DC.直接利用所给图形证明有困难,因为除了已知45°、30°角以外,其他只知道一些15°、75°的角,而对它们,学生不熟悉,用不上. 如果补成正方形ABEC就不一样了,如图1,这时∠DBE=60°,且DB=BE,△DBE是等边三角形,DE=DB=EC,从而△DEC是等腰三角形,且顶角∠DEC=30°,∠DCE=75°,∠DCA=15°,最后得DA=DC. 在教学中只灌输式地告诉学生这一种添加辅助线的方法,是培养不出学生举一反三的能力的. 要引导学生在“已知”和“求证”之间架设一座桥梁,放心、放手、鼓励学生添加辅助线,让学生知道为什么要添,添辅助线有哪些规律性. 比如涉及三角形中线时,常常是将该中线延长一倍连成一个平行四边形,或者过该中点作中位线,这样就能充分发挥中点条件的优势;涉及三角形平分线的问题时常常在该角的一边上截取线段使与另一边长相等,这样就能充分利用角平分线是角的对称轴这一条件,构造出全等三角形等等. 教学实践证明,这样与学生平等地进行信息沟通,是学生不断地从外界获取解题的“能量”,往往能取得事半功倍的效果,不少学生通过不同的补形,产生了许多神通广大的60°,以及许多相等线段,学生添加辅助线的能力就能够不断提高,有学生就得出如下证法:作D关于BC的对称点E,如图2,连结BE,DE,EC,AE,则∠DBE=30°,∠ABE=60°,△ABE是等边三角形,AE=AB=AC,∠DAE=75°-60°=15°=∠DAC,易证△ADE≌△ADC,DE=DC,而显然△ABD≌△DBE, AD=DE,AD=DC.在开放式教学中运用“耗散结构论”,能将添加辅助线的基础和技巧通过平等的信息沟通真正为学生活学活用,同时也实现了有效教学的目标.三、以消费能量为核心,保持有效教学的连续性现实初中数学教学中,有不少教师把学生当成知识容器尽可能地灌输,看似传授了不少知识,教师和学生都疲惫不堪,而实际上这些知识并没有被学生所吸收,而是在大脑中作短暂停留. 也就是说,能量并没有得到充分的消耗. 这种教学结构实质上不是耗散结构. 要将原来的“填鸭式”教学结构升华为耗散结构,就应当在消耗能量中进行探究式教学,教师应成为学生的知心朋友,积极引导学生,适时地进行点拨、置疑、启发、解惑. 另一方面,应当鼓励学生对学习进行探究,从未来的社会人才需求来看,死记硬背、模仿重复是没有前途的,应循着质疑、假设、尝试、发现的能量消耗过程进行. 总之,要始终进行探究式教学,使输入学生头脑中的数学能量得到充分的消耗、吸收.例如,在二次函数的学习中,由于学生没有接受过抽象思维的锻炼,许多学生对函数的概念、图象和性质很难理解,无法参与到学习中来,更无法综合运用. 鉴于此,在二次函数教学中,我设计了许多有探究价值的开放式例题.例2:比较二次函数y=x2+4x、y=-(x-3)2+2的不同点.问题仅给出了原则性要求,可以引导学生从不同角度得出两个函数的不同点,经过老师恰如其分的启发和学生积极参与的探究,得出下列分析.①前者开口向上,后者开口向下;②开口大小不同;③前者经过原点,后者不经过原点;④前者的对称轴方程为x=-2,后者的对称轴方程为x=3;⑤前者的顶点是(-2,-4),后者的顶点是(3,2);⑥前者与x轴负半轴有交点,后者与x轴的交点皆在x轴的右侧;⑦图象经过的象限不同;⑧前者的二次项系数为正,后者的二次项系数为负;⑨前者右端是二次二项式,后者右端是二次三项式等等.通过学生上述的主体活动,经反复的抽象思维锻炼后,学生会自发地将结论推广于一般形式y=ax2+bx+c的各种复杂问题. 这样,不但调动了学生的思维积极性,也培养了学生的探索能力和创造性学习能力.。
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。
耗散结构理论及应用PPT课件
2021
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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。
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。
耗散结构理论在企业管理中的应用
耗散结构理论在企业管理中的应用耗散结构理论（Dissipative Structure Theory）是由恩斯特·赫尔辛格（Ilya Prigogine）在20世纪70年代提出的，它是一个广泛应用于自然科学和人文科学领域的理论，用于解释系统的开放性和自组织性。
在企业管理中，耗散结构理论也有着重要的应用价值。
耗散结构理论强调了系统在稳定状态和非稳定状态之间的转换，这种转换是系统经历的正常演化过程。
在企业管理中，耗散结构理论可以帮助我们理解企业的动态变化和自组织能力，为企业管理者提供一种新的思考方式和管理方法。
首先，耗散结构理论可以帮助企业管理者理解企业的开放性。
耗散结构理论认为，系统的稳定状态是通过与外部环境进行能量、物质和信息的交换来实现的。
在企业管理中，企业也需要与外部环境进行交流和反馈，以适应环境的变化和需求的变化。
耗散结构理论提醒企业管理者要关注企业与外部环境的适应性，通过积极的学习和创新，与外部环境形成良好的互动关系，实现企业的持续发展。
其次，耗散结构理论可以帮助企业管理者理解企业自组织能力的重要性。
耗散结构理论认为，系统通过自组织过程，从不稳定状态转换到新的稳定状态。
在企业管理中，自组织能力是企业适应和应对变化的关键能力。
企业需要通过建立灵活的组织结构、激发员工的创新和合作精神，以适应和引领市场的变化。
耗散结构理论提醒企业管理者要重视培养企业的自组织能力，通过优化组织结构和激励机制，激发员工的创新潜力和合作能力，推动企业持续创新和优化。
此外，耗散结构理论还可以帮助企业管理者理解企业内部的协同作用。
耗散结构理论认为，系统内部的组织结构和互动方式对系统的稳定性和变化能力有着重要影响。
在企业管理中，协同作用是企业内部各个部门和员工之间的互动和合作，可以提高企业的工作效率和创新能力。
耗散结构理论提醒企业管理者要重视组织内部的协同作用，通过建立有效的沟通和合作机制，促进不同部门和员工之间的信息共享和协作，实现企业内部的良性互动和合作。
学术研究中的复杂适应系统理论
学术研究中的耗散结构理论应用摘要：耗散结构理论是现代物理学的一个重要理论，它描述了系统在远离平衡态时如何通过涨落产生新的有序结构。
本文将探讨耗散结构理论在学术研究中的应用，包括在生物学、化学、材料科学、经济等领域的应用。
一、引言耗散结构理论是一种描述非线性系统在远离平衡态时如何通过涨落产生新的有序结构的理论。
该理论最初由比利时物理学家普利高津提出，并在后来的研究中得到了广泛的应用和发展。
随着科学技术的不断进步，耗散结构理论的应用领域越来越广泛，逐渐涉及到生物学、化学、材料科学、经济等多个学科领域。
二、耗散结构理论的应用领域1.生物学：耗散结构理论在生物学中的应用主要体现在细胞自噬机制的研究中。
研究发现，细胞自噬机制类似于一种耗散结构，能够在细胞内部形成新的有序结构，进而实现细胞的自我保护和修复。
此外，耗散结构理论还可以用于解释生物多样性、物种演化等复杂生物学现象。
2.化学：在化学领域，耗散结构理论可以用于解释化学反应的复杂性。
例如，某些化学反应可以在无外界能量输入的情况下自发进行，形成新的化学物质和有序结构。
这些反应过程类似于耗散结构，具有自组织的特点。
此外，耗散结构理论还可以用于预测和设计新型材料和催化剂。
3.材料科学：在材料科学领域，耗散结构理论可以用于设计和制备具有特定性能的新型材料。
例如，可以通过调控材料的微观结构和环境因素，使其在特定的条件下产生新的有序结构，进而提高材料的力学性能、电学性能等。
4.经济：在经济学领域，耗散结构理论可以用于解释经济系统的复杂性和演化规律。
例如，某些经济系统可以在无外界干预的情况下自发形成新的均衡状态，这些均衡状态类似于耗散结构，具有自我调整和适应的能力。
此外，耗散结构理论还可以用于预测经济系统的未来发展趋势。
三、研究方法在学术研究中应用耗散结构理论时，需要采用适当的研究方法。
常用的研究方法包括：系统建模、数学分析、实验研究、数值模拟等。
具体而言，可以根据研究问题的性质和数据来源选择合适的研究方法。
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。
耗散结构理论及其在企业管理中的运用
耗散结构理论及其在企业管理中的运用一、耗散结构理论简介耗散结构理论是诺贝尔奖获得者、比利时科学家普里高津所创立的，与协同学、突变论统称为“新三论”，是对系统科学的丰富和发展。
虽然耗散结构理论最初来源与自然科学，但是其不仅仅运用于此，在社会科学方面也有着重要的指导意义。
该理论认为，一个远离平衡状态的开放系统，通过不断与外界进行物质、能量、信息的交换，以及系统内部一些涨落机制的非线性作用可以使系统自发地从低度无序到高度有序，形成一种新的稳定有序结构，这种结构即是耗散结构。
二、企业是一个耗散结构系统现代企业管理系统的产生与整个社会的大环境作用是分不开的，是由大量的人力、资本、设施等组合起来。
根据耗散结构理论，一旦耗散结构经济系统形成，系统及各个子系统甚至系统要素都是开放的，不断的与外界进行物质、能量、信息的交换，系统内外各要素处在非平衡状态，不断交替，不断进行新陈代谢，产生很大的非线性协同力，通过涨落机制促使经济系统不断发展，进化为一个越高级、生命力越旺盛、越兴旺发达的经济系统。
三、耗散结构理论在企业管理中的应用1.企业的熵流分析我们认为企业当中存在着独立的正熵流和负熵流，熵流理论对研究企业的发展具有重要理论意义。
企业中的正熵流代表着企业当中不利企业发展的因素，比如：企业当中一些正式的小团体，有些人称兄到弟，拉帮结派；企业管理松散和混乱，处于一种放纵状态；管理者肆无忌惮，乱用和挥霍管理权，使个人主义凌驾于公司规章制度之上，欺凌员工，造成两者之间产生巨大的隔阂，互不沟通，互相埋怨；企业各人心怀鬼胎，只顾个人利益，把企业利益弃之不顾，工作不认真，肆意拖延等。
这些不利因素滋生于企业的内部矛盾之中造成企业的不稳定，从而使其产生正熵。
负熵可以抵消企业正熵带来的不利影响，从而使企业管理回到一种有序的状态。
但是负熵并不是像正熵那样是随着企业发展过程中自然出现的，这种有利企业发展的影响因素是依赖人为因素强制实施的。
企业负熵的出现必须依靠企业强制实行的制度，来使企业重新回到正常发展的轨道上。
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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
熵变与平衡态
物质不能进出
封闭系统
能量不能进出
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。
的协同作用和相干效应。 这种非线性的相互作用能促使体系从量变
到质变 , 演化到新的时空有序结构。 非线性的正反馈机制。
这种相互作用是彼此相干耦合反馈式的, 因此也叫
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
开放 开放系 统 系统
随机 涨落
耗散 结构
远离平 衡态
非线性
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性 涨落也叫扰动,是指体系的某个变量或某种行为 对平衡值的偏离。涨落是偶然的、随机的、杂乱无章
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
能量可进出
开放系统
耗散结构与其主要特征
有序结构 耗散结构
微观上 有序 不随时空 变化
改组、改制 、改革进程 ,形成更合理 、更有序、更具生机活力的适
应世界经济的体制。 从非平衡观点业看 ,这一变革就是中国加入 WTO 后通过自组织
过程形成有序的耗散结构的结果。
合技术中的快速反应; 机械合金化、超声处理中的强制反应; 激光
耗散结构的应用
企业管理中的应用 开放性 企业的发展过程都在与外界发生物质、信息的交换，如采 购、营销等。
远离平衡态 比如企业发展中推行的“裁员增效”、“竞争上岗机制”。
涨落 营销管理中某一微小的变化会带来结果性偏差。 非线性 企业运行与盈利方式等很多都是非线性的
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
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。
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。
宏观上 有序 运动变化 中的
T2
“死”结 构
“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 涨落
耗散 结构
远离平 衡态
非线性
耗散结构与其主要特征
开放 系统 对开放系统，熵流 des视外界边作用不同，可以大于、等于、小于
零。如果为负值，并且 des > dis则有 ds = des + dis < 0。 只有开放 才能生存 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
开放 开放系 统 系统
随机 涨落
耗散 结构
远离平 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 为有序的现象，称为自组织现象。自组织现象普遍存在于
自组织现象
宇宙、自然界、生物界和人类社会中。
熵变与平衡态
耗散结构与主要特性
贝纳德对流 耗散结构的应用
加入 WTO ,就要将 WTO 的规则作为中国经济体制改革和进一
步扩大开放的重要参照,这无疑就是耗散结构理论中外界对开放体 系输入的负熵流。
耗散结构的应用
经济领域中的应用
而当许多外国跨国公司进入中国市场,必将打破国内垄断性行业
的垄断状况 。竞争的激烈程度迫使中国企业要有竞争意识。竞争的 压力也会促使中国企业加快经济结构和产品结构的调整 ,加速企业的
非线性
耗散结构与其主要特征
非线性 线性
例如 当 X =0 f( X 时,,A)=( 表示体系处于无序态 A - Ac) X (热力 那么 : 学平衡状态或线性非平衡态 ) 此方程只有一个定态解 当 X ≠0 时 ,表示体系处于有序态 X =0 ,表明体 (非 系处于无序态,。根据数学上的稳定性 线性非平衡态 即耗散结构状态) 理论分析得出 : 当时间 t 趋于无穷大 例如 f(X,A)=(A-Ac)X 此方程有三个定态解 ,它们相当 –X^3 那么方程为: 于耗散结构分支 ,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,
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
的“巨涨落”,从而导致体系发生突变,形成一种新的
稳定有序状态, 即所谓“涨落导致有序” 。
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
开放系 统
随机 涨落
耗散 结构
远离平 衡态
非线性
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
系统必须远离平衡态，才有可能 形成新的稳定有序结构。
远离平 衡态
耗散结构的应用
哲学 经济 社会 物理 化学 生物 地质 教育
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。
耗散结构的应用
经济领域中的应用 在经济领域 , 耗散结构理论的应用已渗透到价格 、贸易 、 税务、银行等有关问题的研究中。以我国的“入关”为例:
我国加入世贸组织( WTO),使我国经济体制从闭关自守的计划
经济变革为有生机活力的市场经济, 实现新的“飞跃”,从非平衡 观点来看 ,是耗散结构理论的体现。
虽然耗散结构理论是从自然科学的研究中总结和提炼出来的,
但由于它的研究对象是开放体系,而宇宙中的各种系统都是与环境 具有互塑共生性的开放体系, 因此它在哲学、经济、社会等领域
同样具有可借鉴性 ,在物理 、化学、生物、地质、社会 、经济 、
教育等领域都取得了具有重要价值的研究成果 。
耗散结构的应用
材料制备中的应用 从外部施加力 ,或注入少量的热、电磁、光等能量物质,当这种控 制条件达到一定程度时,体系因这些微小涨落而离开不稳定状态,发生自 组织过程而进入宏观有序的结构, 即耗散结构,从而引起材料性能的很 多奇异变化。 如对某些钢材进行快速淬火 ,可以产生马氏体相变而大大提高其硬 度; 同理, 还有非晶、纳米晶制备中的快速冷却;自蔓燃、原位反应复
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
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
上 ,就是该无序态的体系不存在分叉与
突变等非平庸行为 。
平庸行为。
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
的 ,在不同状态下作用不同。
系统从无序向有序的演化，
耗散结构理论认为,在接近平衡态的线性非平衡 是通过随机的涨落来实现的
随机 涨落
区,涨落的发生只使体系状态暂时偏离,这种偏离状态