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。