材料物理学第5.1-1 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。

耗散结构理论是如何创立的――谈“时间悖论”1969年，在一次“理论物理与生物学”国际会议上，比利时布鲁塞尔学派的领导人普利高津教授针对非平衡热力学和统计物理学的发展提出了一种新理论———耗散结构理论。

从考察耗散结构理论的创立过程中，我们发现悖论在其中起了不可忽视的重要作用。

下面，我们就来阐述一下“时间悖论”的发现在耗散结构理论创立过程中的地位和作用。

普利高津在爱因斯坦与密希里·贝索之间的通信集中发现，贝索在1940 1955年期间一而再、再而三地提出时间及其不可逆性等问题。

爱因斯坦耐心地一次又一次地回答：不可逆性是一种幻觉，是一种主观印象，它来自某种意外的初始条件。

贝索对爱因斯坦的回答始终不满意。

在80岁高龄时，贝索作了一种尝试，想调和广义相对论和时间的不可逆性。

爱因斯坦不同意这一尝试。

他说：“你是站在光滑的地面上。

在物理学的基本定律中没有任何不可逆性，你必须接受这样的思想：主观的时间，连同它对‘现在’的强调，都是没有任何客观意义的。

”当贝索去世的时候，爱因斯坦写了一封动人的信给贝索的妹妹：“密希里早我一步离开了这个奇怪的世界，这是无关紧要的。

就我们这些受人信任的物理学家而言，过去、现在和将来之间的区别只是一种幻觉，然而，这种区别依然持续着。

”既然“过去、现在和将来之间的区别只是一种幻觉”，那么，为什么说“这种区别依然持续着”呢？难道这不是一个悖论？“时间悖论”的发现使普利高津深深地迷住了“时间”。

他看到“时间悖论”的形成有其深刻的思想基础。

他说，虽然“相对论和量子力学带来了思想上的伟大革命，但基本没有改变这个经典物理学的观点。

在动力学中，无论是在经典的、量子的，还是相对论的动力学中，时间只是外部的一个参量，它没有什么优惠的方向。

在动力学中，没有任何东西能够区别过去和将来。

”在动力学中，时间概念只有简单的意义。

它与我们所处的三维空间一样，仅被看做描述物理过程的时空行为的第四个坐标。

在经典力学中，不会出现“时间箭头”；时间本质上只是描述可逆运动的一个几何参量。

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。

耗散理论耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统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。

例如，从下方加热的液体，当上下液面的温度差超过某一特定的阈值时，液体中便出现一种规则的对流格子，它对应着一种很高程度的分子组织，这种被称为贝纳尔流图像，就是液体中的一种耗散结构。

又如，化学反应中的别洛索夫—扎博京斯基反应，某些反应物浓度随时间和空间呈周期性的变化，这种化学振荡和空间图像，就是化学反应中的一种耗散结构。

耗散结构是比利时布鲁塞尔学派著名的统计物理学家普里戈金，于1969年在理论物理和生物学国际会议上提出的一个概念。

这是普里戈金学派20多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的成果。

1971年普里戈金等人写成著作《结构、稳定和涨落的热力学理论》，比较详细地阐明了耗散结构的热力学理论，并将它应用到流体力学。

化学和生物学等方面，引起了人们的重视。

1971～1977年耗散结构理论的研究有了进一步的发展。

这包括用非线性数学对分岔的讨论，从随机过程的角度说明涨落和耗散结构的联系，以及耗散结构在化学和生物学等方面的应用。

1977年普里戈金等人所著《非平衡系统中的自组织》一书就是这些成果的总结。

之后，耗散结构理论的研究又有了新的发展，主要是用非平衡统计方法，考察耗散结构形成的过程和机制，讨论非线性系统的特性和规律，以及耗散结构理论在社会经济系统等方面的应用等。

耗散结构理论把复杂系统的自组织问题当作一个新方向来研究。

在复杂系统的自组织问题上，人们发现有序程度的增加随着所研究对象的进化过程而变得复杂起来，会产生各种变异。

针对进化过程时间方向不可逆问题，借助于热力学和统计物理学用耗散结构理论研究一般复杂系统，提出非平衡是有序的起源，并以此作为基本出发点，在决定性和随机性两方面建立了相应的理论。

耗散结构理论.txt 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)。

可见，要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。

协同论协同学（Synergetics）协同学亦称协同论或协和学，是研究不同事物共同特征及其协同机理的新兴学科，是近十几年来获得发展并被广泛应用的综合性学科。

它着重探讨各种系统从无序变为有序时的相似性。

协同论的创始人哈肯说过，他把这个学科称为“协同学”，一方面是由于我们所研究的对象是许多子系统的联合作用，以产生宏观尺度上结构和功能；另一方面，它又是由许多不同的学科进行合作，来发现自组织系统的一般原理。

客观世界存在着各种各样的系统；社会的或自然界的，有生命或无生命的，宏观的或微观的系统等等，这些看起来完全不同的系统，却都具有深刻的相似性。

协同论则是在研究事物从旧结构转变为新结构的机理的共同规律上形成和发展的，它的主要特点是通过类比对从无序到有序的现象建立了一整套数学模型和处理方案，并推广到广泛的领域。

它基于“很多子系统的合作受相同原理支配而与子系统特性无关”的原理，设想在跨学科领域内，考察其类似性以探求其规律。

哈肯在阐述协同论时讲道：“我们现在好像在大山脚下从不同的两边挖一条隧道，这个大山至今把不同的学科分隔开，尤其是把‘软’科学和‘硬’科学分隔开。

”协同学的创立者，是联邦德国斯图加特大学教授、著名物理学家哈肯（H旽aken）。

1971年他提出协同的概念，1976年系统地论述了协同理论，发表了《协同学导论》，还著有《高等协同学》等等。

物理学中的稳定性和耗散结构分析稳定性和耗散结构分析是物理学中的两个核心概念。

稳定性是指一个物理系统的稳定程度，能够在一定范围内受到干扰而维持其稳定性。

而耗散结构则是指在一个物理系统中，各种因素之间通过一定的耗散结构相互作用，最终形成相对稳定的结构。

在物理学中，稳定性的概念是十分重要的。

在许多自然现象中，稳定性不仅仅是一个理论问题，也是一个实际问题。

例如，在航空科学中，研究飞机在飞行中的稳定性问题是非常必要的。

通过稳定性分析，可以预测系统的行为，并在必要时采取措施来保证其稳定。

物理学中的稳定性分析可以应用于许多领域，如力学、流体力学、化学、生物学等。

与稳定性概念相对应的是耗散结构。

在物理学中，耗散结构是指一个物理系统的各个部分通过一定的耗散机制相互作用，最终形成相对稳定的结构。

在这个过程中，系统会通过耗散机制将能量流失，从而保持整体稳定。

这种稳定性是在系统与环境之间的相互作用中实现的，而不是在系统内部自我调整中实现的。

在物理学中，稳定性与耗散结构的研究十分广泛。

例如，在流体力学中，研究涡流和湍流的稳定性和耗散结构是非常重要的。

这些研究可以帮助我们更好地理解流体的行为和性质，为航空、海洋等领域的应用提供依据。

在固体物理学中，研究材料的稳定性和耗散结构也是非常重要的。

通过对材料微观结构的分析，可以预测材料的力学性能和耐用性。

总之，稳定性和耗散结构分析是物理学中两个重要的概念。

这两个概念涉及到各种自然现象的行为和性质，在很多领域都有应用。

通过深入研究这些概念，可以更好地理解自然界的规律，推动科学技术的发展。

耗散结构耗散结构是⾃组织现象中的重要部分，它是在开放的远离平衡条件下，在与外界交换物质和能量的过程中，通过能量耗散和内部⾮线性动⼒学机制的作⽤，经过突变⽽形成并持久稳定的宏观有序结构。

1969年，在⼀个理论物理学和⽣物学的国际会议上，普⾥⼽⾦在《结构、耗散和⽣命》①的论⽂⾥，正式提出了“耗散结构理论”。

1971年，他和格兰斯道夫合著的《结构的热⼒学理论，稳定性和涨落》②，更系统地阐述了他们得出的可能对事物随时间演化的⽅式做出判别的所谓“普适演化判据”。

在第⼀篇论⽂的开头，普⾥⼽⾦就指出： “⽣物学与理论物理学之间仍然存在着巨⼤的鸿沟，这是⾮常明显的。

按照某些著名⽣物学家的看法，在空间和功能两个⽅⾯的有序，乃是⽣命的基本特征。

⽣命问题当然是⼀个‘多体问题’。

因为有序的形成和维持包含着⼤量分⼦的联合作⽤。

但是，统计物理学在处理这种联合现象上，⽬前尚处于初期阶段。

…… 在⽣命系统中，新陈代谢和能量的耗散，很可能起着本质的作⽤。

” 普⾥⼽⾦说，他希望在热⼒学的唯象⽅法的基础上，去“讨论⽣物有序之源，还想说明⾮线性热⼒学的新近发展能够使⽣物学和物理学之间的鸿沟缩⼩。

” 普⾥⼽⾦区分了两种类型的结构，即“平衡结构”和“耗散结构”。

平衡结构是⼀种不与外界进⾏任何能量和物质交换就可以维持的“死”的有序结构；⽽耗散结构则只有通过与外界不断交换能量和物质才能维持其有序状态，这是⼀种“活”的结构。

普⾥⼽⾦-格兰斯道夫的判据指出，对于⼀个与外界有能量和物质交换的开放系统，在到达远离平衡态的⾮线性区时，⼀旦系统的某个参量变化到⼀定的阈值，稳恒态就变得不稳定了，出现⼀个“转折点”或称为“分叉点”，系统就可能发⽣突变，即⾮平衡相变，演化到某种其它状态。

⼀个重要的新的可能性是，在第⼀个转折点之后，系统在空间、时间和功能上可能会呈现⾼度的组织性，即到达⼀个⾼度有序的新状态。

例如在某些远离平衡的化学反应中，可以出现规则的颜⾊变化或者漂亮的彩⾊涡旋。