耗散结构
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。
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。
耗散结构
耗散结构比利时布鲁塞尔学派领导人普里高京于1967年在第一届理论物理与生物学国际会议上发表了名为《结构、耗散和生命》的论文，正式提出了耗散结构理论。
普里高京因此获得了诺贝尔奖。
耗散结构理论指出：一个开放系统（无论是力学的、物理的、化学的还是生物的乃至社会的经济的系统）处在远离平衡态的非线性区域，当系统的某个参数变化到达一定的的临界值（阈值）时，通过涨落，系统发生突变，即非平衡相变，其状态可能从原来的混乱无序的状态转变到一种在时间上、空间上或功能上有序的新状态，这种新的有序结构（耗散结构）需要系统不断的与外界交换物质和能量才能得以维持并保持一定的稳定性，且不会因外界的微小扰动而消失。
耗散结构有四个条件：（1）系统必须是开放的，（2）系统必须处于远离平衡态，（3）系统内部存在非线性的相互作用，（4）涨落导致有序。
自然界的生物种类极其繁多，形态各异，功能复杂，构成了绚丽多彩的生物世界。
同时生物界也是自然界中最富有生气和最具神秘感的领域。
孤立系统不能产生有序结构，因为根据热力学第二定律，孤立系统的熵是永不减少的。
因此耗散结构一定产生于开放系统，必须存在由环境流向系统的负熵流，而且能够抵消掉系统自身的熵增，才能使系统的熵减小，有序度增加。
玻尔兹曼原理虽对解释平衡结构是成功的，却无法用来说明非平衡的有序结构，对于平衡态系统各个微观组态是等概率出现的，对于生物体，它是由分子、细胞、组织、器官、个体、群体按各种要求与层次组成的，在各层次上都表现出有序性，因此自组织现象（尤其是生命现象）只能在远离平衡态的条件下生存。
因此普里高京认为，非平衡是有序之源。
从系统内部组织的相互作用和动力学行为来看，能形成耗散结构的系统以及其演化过程所服从的动力学方程都是非线性的。
在一些自组织现象如贝纳德流、激光、化学振荡的出现都是伴随着对称性破缺的突变现象，这些系统经历对称性破缺形成时空有序结构是自发进行的。
涨落是指系统中某个变量和行为对平均值所发生的偏离，它使系统离开了原来的状态或轨道。
生活中耗散结构的例子
生活中耗散结构的例子1. 车辆交通：在城市道路上，车辆的运动形成了一个耗散结构。
车辆在道路上移动，会受到交通信号灯、行驶规则和其他车辆的影响，形成了复杂的交通流。
交通流的形成和变化是非线性的，具有不可预测性和耗散性。
2. 人群行为：人群行为也是一个耗散结构的例子。
例如，在大型音乐会或体育比赛中，人们聚集在一起，形成一个庞大的人群。
人群中的个体相互作用，通过传递信息和影响他人的行为，形成了复杂的人群行为模式，如高潮、鼓掌、欢呼等。
3. 自然环境中的气候系统：气候系统是一个典型的耗散结构。
太阳能的输入、大气环流、地球表面的辐射平衡等因素相互作用，形成了复杂的气候变化。
气候系统具有自组织性和耗散性，表现为天气的不确定性和气候的长期变化。
4. 经济系统：经济系统也是一个耗散结构的例子。
市场经济中，供求关系、价格机制和竞争等因素相互作用，形成了复杂的经济运行模式。
经济系统具有不确定性和耗散性，表现为经济周期的波动和市场的不稳定性。
5. 生态系统：生态系统是一个典型的耗散结构。
生物种群之间的相互作用、能量流动和物质循环等因素相互作用，形成了复杂的生态系统。
生态系统具有自组织性和耗散性，表现为物种的多样性、生物群落的稳定性和生态系统的演替。
6. 社会网络：社会网络是一个耗散结构的例子。
人与人之间的社交关系、信息传递和资源共享等因素相互作用，形成了复杂的社会网络。
社会网络具有自组织性和耗散性，表现为社交圈子的形成、信息传播的速度和社会结构的演化。
7. 自组织团队：在工作和组织中，团队的形成和运行也是一个耗散结构。
团队成员之间的相互作用、任务分配和目标协调等因素相互作用，形成了复杂的团队动力学。
团队具有自组织性和耗散性，表现为团队的协作能力和成果的产生。
8. 生物进化：生物进化也是一个耗散结构的例子。
遗传变异、选择压力和繁殖等因素相互作用，形成了复杂的生物进化过程。
生物进化具有自组织性和耗散性，表现为物种的适应性和生态系统的多样性。
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-热寂论
在决定性理论方面，以化学反应系统为例，耗散结构理论是在等温、等压、稳定的边界条件和局域平衡四个假定下，考察复杂的开放系统，根据系统服从的统计力学规律建立相应的方程。
用微分方程的稳定性理论已经证明：复杂的开放系统在平衡态附近的非平衡区域不可能形成新的有序结构，在这个区域内系统的基本特征是趋向平衡态。在远离平衡态的非平衡区域，系统可以形成新的有序结构，即耗散结构。这种耗散结构只能通过连续的能量流或物质流来维持，它是在热力学不稳定性上的一种新型组织，具有时间和空间的相干特性。这是一种与平衡条件下出现的平衡结构完全不同的结构。
以前的物理理论认为，只有能量最低时，系统最稳定，否则系统将消耗能量，产生熵，而使系统不稳定。耗散结构理论认为在高能量的情况下，开放系统也可以维持稳定。例如生物体，以前按照热力学定律，是一种极不稳定的结构，不断地产生熵而应自行解体，但实际是反而能不断自我完善。其实生物体是一种开放结构，不断从环境中吸收能量和物质，而向环境放出熵，因而能以破坏环境的方式保持自身系统的稳定。城市也是一种耗散结构。
在物理学方面，耗散结构的概念扩大和加深了物理学中的有序概念。对不同物理体系中各种耗散结构的研究，丰富了热力学和统计物理学中关于相变的研究内容，开辟了新的研究领域，为物理学研究这些非平衡非线性问题提供了新概念和新方法。
在化学和生物学方面，化学反应系统和生物学系统中耗散结构的研究，为生命体的生长发育和生物进化过程提供了新的解释，提供了新的概念和方法。在系统科学方面，耗散结构理论利用数学和物理学的概念和方法研究复杂系统的自组织问题，成为系统学的一个重要组成部分。
耗散结构的研究揭示了一种重要的自然现象，并对复杂系统的研究提出了新的方向。在数学上描述复杂系统的方程通常是非线性的，一般包括分岔现象。耗散结构实质上对应于系统方程在远离平衡区的一个分岔解。因此，耗散结构的研究必然促进分岔理论的发展。
材料物理学第耗散结构
材料物理学第耗散结构引言材料物理学是关于材料特性和行为的研究。
这个领域的一个重要方面是了解材料的耗散结构。
耗散结构是指材料中能量消耗的微观层面结构。
这篇文档将详细介绍材料物理学中的耗散结构及其作用。
耗散结构的定义耗散结构是一种材料内部的微观结构，是指能够耗散能量的材料中的各种微观结构和机制。
耗散结构的种类很多，例如材料中的晶粒界面、液体层、位错、空隙、杂质等等。
耗散结构的作用材料中的耗散结构在应变或应力作用下能够吸收和散播能量。
这对于材料的特性和行为具有重要影响。
这样的结构能够耗散弹性能（即形变能），因此有助于材料邮编塑性形变和良好的韧性。
此外，在受到外部应力时，由于耗散结构的存在，材料中不会出现过大的局部变形，这可以防止材料断裂。
耗散结构的种类晶粒界面晶粒界面是材料中不同晶粒之间的区域。
由于不同晶格的周期性不同，晶粒界面能消耗和散播大量的应变能量。
晶界阻尼是由于晶界的相互作用导致的，是内部摩擦所产生的摩擦力。
液态区域液态区域是由于材料中存在的液态相而存在的。
与晶粒界面类似，液态区域能够吸收和散播应变和能量。
材料中的液态区域能够提供良好的韧性和抵抗断裂的能力。
此外，液态区域还能在材料加工中起到润滑作用，降低材料的内部摩擦。
位错位错是材料中的微小晶粒错位。
由于位错的发生和遭受，材料能够产生局部的形变，并以松弛等方式吸收能量。
位错的存在影响了材料的宏观形变和机械性能。
空隙空隙是材料中的孔洞或裂缝，它们能够吸收和散播应变能量。
空隙通常会导致材料的疲劳强度降低。
耗散结构是材料物理学中的一个重要方面，对于材料的特性和行为都有着重要的影响。
材料中的晶粒界面、液态区域、位错和空隙等耗散结构，能够吸收和散播应变和能量，从而提供材料的韧性和各种机械性能。
耗散结构
美 有 人 研 究 东 西 部人口的空间分 布规律
加 拿 大 人 员 研 究 捕鱼的最佳时间 荷 兰 科 学 家 研 究 能源的最低消耗 方案
谢谢观看
小组成员：苗庆祎，庞玉冬，朱力炜， 董怡霄
耗散结构
耗散理论，即耗散结从无序到有序的 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 。
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。
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。
在生活中的应用
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严格意义上的封闭系统、孤立系统在自然界是不存在的。它们 作为特定的分析对象而被引用只是一种近似，其目的是使问题 在研究时得以简化。
因此，有必要进行对开放系统的研究。
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推广2：偏离平衡态热力学系统
耗散结构提出者——普里 戈金在非平衡热力学系统的 线性区的研究的基础上，又 开始探索非平衡热力学系统 在非线性区的演化特征。 他在研究偏离平衡态热力 学系统时发现，当系统离开 平衡态的参数达到一定阈值 时，系统将会出现“行为临 界点”，在越过这种临界点 后系统将离开原来的热力学 无序分支，发生突变而进入 到一个全新的稳定有序状态 ；若将系统推向离平衡态更 远的地方，系统可能演化出 更多新的稳定有序结构。
XI’AN JIA中的有序结构
自组织现象:混沌系统在随机识别时形成耗散结构的过程被定义 为自组织。行军蚁搭建的桥;萤火虫同步闪动;经济系统中相互维 系的市场;干细胞发育成特定的器官--这些都是自组织的例子。
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涨落的概念
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。 涨落是大量微观粒子的一种统计平均行为，是大量微观粒子如分子 、原子、电子等无规则热运动的结果。涨落的相对值通常很小，但在有些现 象中仍可观察到，并且可能有很重要的影响。
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推广1：孤立系统与开放系统
热力学第二定律（熵增加原理）：在孤立系统中，一切不可逆过程 必然朝着熵的不断增加的方向进行。
在热力学之中，与其他物体既 没有物质交换也没有能量交换 的系统称为孤立系统 （Isolated system） 。
与外界既有物质交换，又有 能量交换的系统称为开放系 统（Open system）。
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结论与展望
发展应用 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。但理论尚 属初级阶段，有待于发掘新的概念、规律和数学工具。耗散结构 理论已用于研究流体、激光等系统、核反应过程，生态系统中的 人口分布，环境保护问题，乃至交通运输、城市发展，人文社会 等课题。
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耗散结构的概念
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而达到有序。 偏离平衡态的开放系统通过涨落，在越过临界点后“自组织 ”成耗散结构，耗散结构由突变而涌现，其状态是稳定的。 耗散系统（Dissipative system）是指一个远离热力学 平衡状态的开放系统，此系统和外环境交换能量、物质。
耗散结构（Dissipative structure）是指一个耗散系 统，由于不断和外环境交换能量、物质和熵而能继续维 持的稳定有序结构。
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负熵流
i e
系统的熵变化可以分解为系统内的dSi及系统外的dSe(和环 境交换的熵),其熵变化可以表示为: dS dS dS 在封闭系统中系统无法和环境交换熵，因此: 根据热力学第二定律:
耗散结构的形成和特征
由于负熵流的存在，自然界中可以存在稳定的有序状态（熵不 变），甚至自发的、有无序到有序（熵减小）的现象。 常见的耗散结构包括对流、气旋、热带气旋及生物体。 若系统足够远地偏离平衡状态，该系统可能具有非常多的耗散 结构。 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。 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。
耗散结构
组员：陈圣杰 丁硕 蒋天志 刘陈锋 朱延文
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问题的提出
以前的物理理论认为，只有能量最低时，系统最稳定，否 则系统将消耗能量，产生熵，而使系统不稳定。但自然界 中存在反例。
例如生物体，以前按照热力学定律，是一种极不稳定的结 构，不断地产生熵而应自行解体，但实际是反而能不断自 我完善。 耗散结构理论认为在高能量的情况下，开放系统也可以维持稳 定。
封闭系统的混乱程度不会减小。
dSe dSi 0
dSi 0
dS dSi
dS 0
因此有:
但是在开放系统中，系统可以和环境交换熵。在耗散结构 下，系统总熵不变(dS=0)，根据热力学第二定律: dS 0
i
由此得到：
——维持耗散结构的负熵流
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谢谢!
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典型的耗散结构
T1
T2 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。
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。