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。
耗散结构理论
耗散结构耗散结构dissipative structures比利时的普里戈金（I. Prigogine）从研究偏离平衡态热力学系统的输送过程入手，深入讨论离开平衡态不远的非平衡状态的热力学系统的物质、能量输送过程，即流动的过程，以及驱动此过程的热力学力，并对这些流和力的线性关系做出了定量描述，指出非平衡系统（线性区）演化的基本特征是趋向平衡状态，即熵增最小的定态。
这就是关于线性非平衡系统的“最小熵产生定理”，它否定了线性区存在突变的可能性。
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。
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。
普里戈金将这类稳定的有序结构称作“耗散结构”。
从而提出了关于远离平衡状态的非平衡热力学系统的耗散结构理论（1969年）。
耗散结构理论指出，系统从无序状态过渡到这种耗散结构有几个必要条件，一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；二是系统必须是远离平衡状态的，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；三是系统内部不同元素之间存在着非线性相互作用，并且需要不断输入能量来维持。
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。
耗散结构理论指出，开放系统在远离平衡状态的情况下可以涌现出新的结构。
地球上的生命体都是远离平衡状态的不平衡的开放系统，它们通过与外界不断地进行物质和能量交换，经自组织而形成一系列的有序结构。
可以认为这就是解释生命过程的热力学现象和生物的进化的热力学理论基础之一。
耗散结构理论及应用PPT课件
2021
11
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。
2021
16
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
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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பைடு நூலகம்进出
开放系统
耗散结构与其主要特征
有耗序散结构
微观上 有序
不随时空 变化
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。
非线性
耗散结构与其主要特征
非线线性性
例当如X f=(0 时X ,,表A)示=(体A系-处Ac于)无X序态(热力 那学么平衡:状态或线性非平衡态) 此当方X程≠只0有时一个,表定示态体解系处X 于=0有,表序明态体(非 系线处性于非无平序衡态,。即根耗据散数结学构状上态的稳 ) 定性 理论分析得出 : 当时间 t 趋于无穷大 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 上 ,就是该无序态的体系不存在分叉与 突变等非平庸行为 。
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
耗散结构的特性
开开放放系 系统统
随机
耗散
远离平
涨落
结构
衡态
非线性
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
“死”结 构
T2
宏观上 有序
运动变化 中的
“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
耗散
远离平
涨落
结构
衡态
非线性
耗散结构与其主要特征
开放 对开放系统，熵系流统des视外界边作用不同，可以大于、等于、小于
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。
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。
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
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。
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
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。
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
开开放放系 系统统
随机
耗散
远离平
涨落
结构
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
这种的非协同线作性用的和相相干互效应作。用能促使体系从量变
到质变这种,相演互化作用到是新彼此的相干时耦空合反有馈序式的结, 因构此。也叫 非线性的正反馈机制。
耗散结构与其主要特征
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
熵变与平衡态
物质不能进出
能量不能进出
封闭系统
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。