耗散结构论
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
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
• 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。 • 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，系统不与外界进行任何物质和能量的交 换，处于熵极大的混乱无序状态，不可能产生新 的有序结构。
耗散结构理论
赵斯惠22012070432
贝洛索夫一萨坡金斯基反应(BZ反应)
• 这是1958年苏联两位化学家发现的。把适量的丙 二酸和硝酸钵钱溶于的硫酸中,经充分搅拌到均匀, 这时再加人适量的滨酸钠,溶液的颜色就会在黄色 与无色之间振荡,周期约为1min。如果再加人几毫 升的试亚铁试剂,则溶液的颜色会在红色和蓝色之 间振荡。 • 反应表明,离子的浓度随时间的周期性变化,像时钟 一样的规则,又称“化学钟”。以后又发现在某些 条件下,各种成分的浓度并不均匀分布,而是出现随 空间周期变化的有序结构.
• 开放系统是指与外界环境有物质、能量和信息交换 的系统。 • 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。 • 然而外界给系统注入的熵deS可为正、零或负，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。
耗散结构理论
耗散结构理论
耗散结构的有序表现为宏观上的有序, 是一种处于运动变化中的活结构, 体 系的状态和性能都向着优化方向转变, 因此耗散结构具有广泛应用性。
耗散结构理论与地理系统
现代科技革命的巨浪越来越有力地冲击着任何 学科的研究领域。作为基础学科之一的地理学 应浪而起, 不失时机地把诸如“ 老三论” 、 “ 新三论” 等新理论和新方法引入自身的研 究领域。随着“ 新鲜血液” 的不断注入, 地 理学内部产生了两个基本模式: 地理系统论与 建设地理学。 地理系统论把地球表层及其组成部分的概念系 统化为多因素、多级次、多功能、多过程的相 互作用为非加法的开放系统, 系统内所有的自 然、人文地理要素间均存在着错综复杂的有机 联系和非线性作用。
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】。
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。
地理系统是要素间有非线性相互作用的系统
地理系统是一个具有整体性和倏忽性等重要特 性的复杂系统, 因此在地理系统中, 作为输出 能显物质的“ 营养源” 的自然地理系统和作 为输入营养的“ 营养汇” 的人文池理系统之 间相互促进又相互制约, 彼此间存在着极复杂 的非线性相互作用( 反馈、自催化、自组织、 自我复制等) , 同时自然、人文地理系统内部 的各要素间的非线性联系更为密切。
第九章非平衡系统的自组织理论：耗散结构
第九章非平衡系统的自组织理论：耗散结构第九章非平衡系统的自组织理论:耗散结构一、耗散结构理论的产生及发展(一) 耗散结构的概念在开放和远离平衡的条件下，在与外界环境交换物质和能量的过程中，通过能量的耗散和内部的非线性动力学机制及涨落的触发和推动下形成并保持下来的宏观时空有序结构称为耗散结构。
耗散结构理论指出，一个远离平衡的开放系统(力学的、物理的、化学的、生物的、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阈值时，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。
耗散结构理论就是研究耗散结构的性质以及它的形成、稳定和演变规律的科学。
它的研究领域是物质系统的复杂性，即物质系统各层次或层次之间的非线性复杂关系。
其研究对象是开放的非平衡自组织系统。
着重考查在一定外界条件影响下的非平衡开放系统是如何通过自身的非线性相干反馈和协同作用，自发地形成宏观有序的自组织结构的。
它的建立和发展，使人们对自然界的发展有了一个比较完整的认识:在平衡态附近系统的发展行为倾向主要是趋向平衡态，并伴随着无序的增加和结构的破坏。
在远离平衡态的条件下，系统的发展过程则可能出现突变，导致新结构的形成和有序度的增加。
(二) 耗散结构理论的产生耗散结构:,,,,,,,,,,, ,,,,;,,,,:是比利时物理学家普瑞高津(，(,,,,,,,,,)于1969年在一次“理论物理与生物学” 的国际会议上首先提出的一个概念。
1971年普瑞高津与格兰道夫(,(,,,,,,,,,,)合著的《结构、稳定与涨落的热力学理论》较为详细地阐述了耗散结构的概念及其热力学理论，并将之应用到流体力学、化学和生物学等方面，引起了人们的广泛重视。
1977年普瑞高津和尼科里斯(,(,,;,,,,)在《非平衡系统的自组织》一书中对其研究成果进行了系统的总结，推动了耗散结构理论与非线性热力学的进一步发展。
耗散结构的理论形式是以普瑞高津为首的布鲁塞尔学派二十多年来从事非平衡热力学统计物理研究结出的成果。
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。
耗散结构理论-科学观,哲学意义
耗散结构理论耗散结构理论是比利时布鲁塞尔学派领导人普利高津（I.Prigogine）教授1969年在一次“理论物理与生物学”的国际会议上，针对非平衡态统计物理学的发展提出的。
理论指出，一个远离平衡态的开放系统，通过不断地和外界交换物质和能量，当外界条件达到一定的阈值时，系统可能从原来的无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。
普利高津把在远离平衡态情况下所形成的有序结构命名为“耗散结构”。
耗散结构理论就是研究耗散结构的性质，以及它的形成、稳定和演变规律的理论。
耗散结构理论研究的对象是开放系统。
宇宙中的系统无一不是和周围环境有着相互依存和相互作用的开放系统，不论是有生命的，还是无生命的，都是如此。
因此，这一理论涉及的面之广，在科学发展史上是罕见的。
这一理论从诞生到现在，短短的二十几年中，在各方面的应用都已取得了可喜的成果。
我们应该清楚地看到，在自然界、科学实验、乃至社会现象中，从宏观上看，都有必要、也必须区分平衡结构（平衡状态下的稳定化有序结构）和耗散结构（耗散状态下的稳定化有序结构）。
这里所讲的平衡结构，是指热力学意义上的平衡，即在与外界没有物质、能量交换的条件下，宏观系统的各部分在长时间内不发生任何变化。
而耗散结构是指宏观系统在非平衡条件下，通过和外界不断地进行能量和物质交换而形成并维持的一种稳定化了的有序结构，即在非平衡态下宏观体系的自组织现象。
通俗一点讲，平衡结构是一种“死”的有序化结构，而耗散结构则是一种“活”的有序结构。
我们熟知的晶体和液体是比较典型的平衡态下的稳定化有序结构。
连续介质力学中的“贝纳特不稳流”则是布鲁塞尔学派最早用来说明耗散结构物理图象的一个例子。
这个实例说，加热一个液体系统，液体内会产生一个温度梯度。
温度梯度较小时，热量通过传导在液体中传递，不存在一种有序的自组织现象。
但如果继续加热，当温度梯度达到一定的特征值时，一种有序的对流元胞会自动呈现，整个体系则由无数个这种对流元胞组成，它对应于一种高度有序化的分子组织，此时热量是通过宏观对流来传递的。
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• 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？
有序
进化（达尔文）
无序
主要内容
相关概念
•开放系统 根据系统与外界的相互关系，可以把系统分为孤立系统、封闭系统和 开放系统。 孤立系统与外界既无物质交换又无能量交换。 封闭系统与外界仅有能量交换而无物质交换。 开放系统与外界之间既有物质交换又有能量交换。 •自组织现象 在一定的外界条件下，系统内部自发地由无序变为有序的现象。自组 织系统的机理是对称性破缺。这种对称性破缺的序都不包含在外部环 境中，而根源于系统内部，外部环境只是提供触发系统产生这种序的 条件，所有这种序或组织都是自发形成的。
耗散结构理论的应用举例
普利高津本人研究的例子:白蚁筑巢 白蚁用一种叫做信息激素的化学信号来协调彼此 的动作，确保达到相似结果。筑巢的工蚁把土壤 颗粒咀嚼成类似水泥样的糊状物，他们在唾液中 添加一种化学物质，在短短几分钟内大约一厘米 以内的其它工蚁就能闻到这种气味。这就建立一 个正反馈：支柱越扩大，它就成为更强的信息素 释放源，就会有白蚁添加更多的材料。 蚁群中对任一白蚁来讲，它的爬行并且在某一地 方堆砌一点“粘性物质”都是偶然的，但是，粘 性物质在随意的积存中总有一些地方堆得稍多， 这就具有较大的化学引诱力，从而把更多的白蚁 吸引过去，导致涨落被迅速放大。这些被放大的 堆积物堆，如果彼此相距较远或是彼此隔离，那 么过程就会停止，但是偶尔有两个或更多的累积 物彼此挨得很近，就会逐步连成一个拱形结构， 这就开始奠定了一个复杂而有序的蚁巢基础。
任何物质系统都有其相应的功能，不同的结构具有不同的功能。 结构是功能的基础，结构决定功能，功能体现结构，并对结构 有反作用。 平衡结构是“死”的（没有活力），其功能不会变化发展，而 耗散结构是“活”的，在一定条件下，它会放大随机的涨落而 产生新的结构以适应新的功能需要。 在平衡结构中，由于不是自组织系统，没有自我新陈代谢的能 力，所以长期功能的发挥，由于长年累月的“磨损”，最后导 致结构破坏。如机器的磨损。
耗散结构理论形成的四个条件
1. 系统的开放性是必要条件 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。 2. 非平衡是有序之源
微小的扰动 有失稳现象
a 是处于不稳定平衡态 c 是处于稳定的平衡态
3. 非线性作用是有序的动力 一个非平衡系统中有许多变化着的因素，它们之间相互联 系相互制约并决定着系统的状态和可能演变的方向。一般 来说这些因素之间相互依赖的关系是一些很复杂的函数关 系。从数学知识可以知道线性方程只对应一个解，而非线 性方程却有着多个不同的解，用在演化过程中就是其演化 结果可能出现多个不同的方向和结果。 4. 随机涨落是有序的契机 涨落是指系统的某个变量或某种行为对平均值的偏离。
耗散结构理论的特征
耗散结构发生在开放系统中，它要靠外界不断的供应能量 或物质才能维持； 只有当控制达到一定值时，耗散结构才会出现；
它具有时空结构，对称性低于耗散结构发生前的均匀状态 （即耗散结构产生于对称性破缺）；
耗散结构是稳定的，它不受任何小的扰动的破坏。
平衡结构和耗散结构的区别：
孤立 系统
dS di S d eS
系统与外界交换物质和 能量引起的熵变
d eS 0, d i S 0 dS 0
d eS 可正可负，取决于系统和外界的作用 负熵流 d eS 0
d eS d i S
dS d i S d eS 0
由于负熵流的引入，使得系统的熵减少，系 统由无序向有序转变
蚁巢
谢 谢！
耗散结构理论内容
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)。
耗散结构论
理论产生背景 耗 散 结 构 论
理论主要内容介绍
耗散结构论的应用举例
理论产生背景
本内容涉及到的主要人物：
克劳修斯是德国物理学家 和数学家，热力学的主要 奠基人之一，首次明确指 出热力学第二定律的基本 概念。
达尔文是英国生物学家， 普利高津是世界著名物理 生物进化论的奠基人。 化学家、比利时布鲁塞尔 学派领导人，于20世纪60 年代创立了耗散结构论。