耗散结构简介

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。

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（ＤｉｓｓｉｐａｔｉｖｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）是比利时物理学家普瑞高津（Ｉ．Ｐｒｉｇｏｇｉｎｅ）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（Ｐ．Ｇｌａｎｓｄｏｒｆｆ）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（Ｇ．Ｎｉｃｏｌｉｓ）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。

在远离平衡的非线性区形成的新的稳定有序的结构，由于需要与外界环境交换实物和能量才能维持，所以叫做耗散结构。

所谓假说，就是对于一定范围内的事物、现象的本质、规律或原因的一种推测性的说明方式。

科学假说有两个显著的特点：(1)有一定的科学根据。

它建立在已有的科学理论和实验材料的基础上，并且经过了一定的科学论证，因而它与毫无事实根据的迷信、臆测不同，也与缺乏理论论证的猜测、幻想有别科学假说与主观妄想和凭空臆断是有原则区别的；(2)带有推测和假定的性质，有待于实验检验和理论论证，因而与确实可靠的理论不同。

技术创新，是指企业应用创新的知识和新技术、新工艺，采用新的生产方式和经营管理模式，提高产品质量，开发生产新的产品，提供新的服务，占据市场并实现市场价值。

”在这里技术创新已经不是单纯技术概念，而是技术与经济结合的经济学范畴的概念，涵盖企业运行的全过程。

技术创新是指经济实体为了适应技术进步和市场竞争的变化，借助内外力量引进某种新技术的过程，它包括产品的创新、工艺创新、组织创新、市场创新和材料创新等。

技术创新是一个经济概念而不是一个技术概念；技术上的某一新的发明若不被应用于经济活动之中，不能称为技术创新。

技术创新是一个从创新思想的形成到创新成果被广泛应用的全过程。

通常一个技术创新过程包括选题、研究、开发、设计、实验、生产、销售、服务、信息反馈和技术扩散等多个环节，而且只有各个环节之间紧密衔接，才能保证技术创新的成功。

19世纪末、20世纪初的美籍奥地利经济学家约瑟夫．阿罗斯．熊彼特的动态发展理论就是以创新（技术创新），概念为特色的。

他认为，经济本身存在着一种破坏均衡而又恢复均衡的力量，那就是创新活动，而且正是这种创新活动引起了经济的发展。

他所说的创新活动是指："企业家实行对生产要素的新的组合。

"包括五种情况：（1）引入一种新的产品或提供一种产品的新质量；（2）采用一种新的生产方法；（3）开辟一个新的市场；（4）获得一种原料或半成品的新的供给来源；（5）实行一种新的企业组织形式，如建立一种垄断地位或打破一种垄断地位。

“耗散结构”的简介与分析耗散结构比利时的普里戈金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。

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。

在生物学，微生物细胞是典型的耗散结构。

耗散耗散结构(dissipative structure) 关于“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一个重要新分支，是由比利时科学家伊里亚·普里戈津(I．Prigogine)于20世纪70年代提出的，由于这一成就，普里戈津获1977年诺贝尔化学奖。

差不多是同一时间，西德物理学家赫尔曼·哈肯(H．Haken)提出了从研究对象到方法都与耗散结构相似的“协同学”(Syneraetics)，哈肯于1981年获美国富兰克林研究院迈克尔逊奖。

现在耗散结构理论和协同学通常被并称为自组织理论。

我们首先从几个例子看一下究竟什么是耗散结构。

天空中的云通常是不规则分布的，但有时蓝天和白云会形成蓝白相间的条纹，叫做天街，这是一种云的空间结构。

容器装有液体，上下底分别同不同温度的热源接触，下底温度较上底高，当两板间温差超过一定阈值时，液体内部就会形成因对流而产生的六角形花纹，这就是著名的贝纳德效应，它是流体的一种空间结构。

在贝洛索夫—一萨波金斯基反应中，当用适当的催化剂和指示剂作丙二酸的溴酸氧化反应时，反应介质的颜色会在红色和蓝色之间作周期性变换，这类现象一般称为化学振荡或化学钟，是一种时间结构。

在某些条件下这类反应的反应介质还可以出现许多漂亮的花纹·，此即萨波金斯基花纹，它展示的是一种空间结构。

在另外一些条件下，萨波金斯基花纹会成同心圆或螺旋状向外扩散，象波一样在介质中传播，这就是所谓化学波，这是一种时间一一空间结构。

诸如此类的例子很多，它们都属于耗散结构的范畴。

为了从各不相同的耗散结构实例中找出其本质的特征和规律，普里戈津学派研究了非平衡热力学,继承和发展了前人关于物理学中相变的理论，运用了当代非线性微分方程以及随机过程的数学知识，揭示出耗散结构有如下几方面的基本特点。

首先，产生耗散结构的系统都包含有大量的系统基元甚至多层次的组分。

贝纳德效应中的液体包含大量分子。

天空中的云包含有由水分子组成的水蒸气、液滴，水晶和空气，因而是含有多组分多层次的系统。

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。

一、耗散结构理论（Dissipative structure theory）·什么是耗散结构理论耗散结构的概念是相对于平衡结构的概念提出来的，它提出一个远离平衡态的开放系统，在外界条件发生变化达到一定阀值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界交换能量与物质,就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。

耗散结构理论成功地引用到某些系统.一座城市可看作一个耗散结构，每天输入食品、燃料、日用品等，同时输出产品和垃圾，它才能生存下去,它要保持稳定有序状态，否则将处于混乱。

现代经济系统也是一个非平衡的开放系统，系统内部各部门的联系是非线形的,存在着有规律的经济波动和无规律的随机扰动，因此也是一个耗散结构.20世纪70年代,比利时物理学家普利高津提出了耗散结构学说，这也是一种系统理论。

耗散结构的概念是相对于平衡结构的概念提出来的。

长期以来，人们只研究平衡系统的有序稳定结构，并认为倘若系统原先是处于一种混乱无序的非平衡状态时，是不能在非平衡状态下呈现出一种稳定有序结构的。

普利高津等人提出:一个远离平衡的开放系统，在外界条件变化达到某一特定阈值时，量变可能引起质变,系统通过不断与外界交换能量与物质，就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态，这种远离平衡态的、稳定的、有序的结构称之为“耗散结构".这种学说回答了开放系统如何从无序走向有序的问题。

·耗散结构理论的研究内容耗散结构是在远离平衡区的非线性系统中所产生的一种稳定化的自组织结构。

在一个非平衡系统内有许多变化着的因素,它们相互联系、相互制约，并决定着系统的可能状态和可能的演变方向。

这些因素可以归纳为两类：其一是广义流，其二是广义力；而且广义流依赖于广义力。

一般地说，这两类因素之间的相互依赖关系是一个复杂的非线性函数。

一个典型的耗散结构的形成与维持至少需要具备三个基本条件：一是系统必须是开放系统，孤立系统和封闭系统都不可能产生耗散结构；二是系统必须处于远离平衡的非线性区，在平衡区或近平衡区都不可能从一种有序走向另一更为高级的有序；三是系统中必须有某些非线性动力学过程，如正负反馈机制等，正是这种非线性相互作用使得系统内各要素之间产生协同动作和相干效应，从而使得系统从杂乱无章变为井然有序。

1.4 系统演化形式：自组织耗散结构理论（Dissipative structure）1.问题的提出墨水滴在一杯清水中可自动扩散——不能反过来由均匀的溶液自动凝成墨水。

摩擦自动生热，热不能自动产生摩擦。

这表明根据热力学第二定律，任何自发的物理和化学过程总是导至熵的增加，即无序度的增加。

相反的现象：生物界，社会进化的结果导至物种增多，功能结构复杂，即有序度的增加。

无生物中的利色根环（胶体化学中的周期沉淀），将碘化钾溶液加到含硝酸银的胶化介质中可形成碘化银沉淀，有规则间隔的带状或环状分布。

贝纳德花纹，流体力学中，如果从下面加热某一流体薄层，起初只有热传导存在，当流体中的温度梯度高于某一临界值时，原来静止的流体中会出现许多规则的六角形对流格子。

扎鲍廷斯基花纹：1958年苏生物物理学家别洛索夫在某些金属离子催化剂（例如三价铈离子）存在的情况下进行某些有机酸（例如丙二酸）的溴酸氧化，别氏发现在一定条件下某些组分（例如铈离子）的浓度会随时间变化造成反应液的颜色有规则地周期变化（称为化学钟），扎鲍廷斯基继续并改进了别洛索夫实验，他发现在某些条件下某些组分的浓度分布变得不均匀，形成许多漂亮的花纹。

上述生命和无生命现象表明在宇宙中存在着两种相反的演进方向：一种趋向于无序；一种趋向有序。

究竟这是为什么？在什么条件下发展过程趋向无序的增加和结构破坏。

在什么条件下发展过程可经受突变，导致结构的形成和有序的增加。

在二十世纪六十年代以比利时物理学家兼化学家普利高津为首的布鲁塞尔学派提出了耗散结构理论。

（1969）2．什么是耗散结构？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机制而形成和维持的宏观有序结构，称为耗散结构。

耗散结构理论的要点：孤立系统：与外界无物质能量和信息交换封闭系统：无物质有能量信息交换开放系统：有物质能量信息交换2.1为什么只有在开放条件下才可能由无序到有序？孤立系统因不能与外界交换物质能量信息所以只能按热力学第二定律自动地走向无序化；封闭系统只能在低温条件下形成死的有序结构的晶体。

进化生态学名词解释耗散结构
进化生态学名词解释
进化生态学是研究物种在适应环境变化过程中的演化和生态学关系的学科。

它主要探讨物种如何适应环境变化、如何利用资源、如何与其他物种相互作用以及这些过程如何影响物种的演化。

耗散结构
耗散结构是指一个系统在一个非平衡状态下，通过吸收能量和物质来维持自身稳定的结构。

这个概念最早由Ilya Prigogine提出，他认为所有开放系统都是耗散结构。

在自然界中，许多生命体系也可以被看作是耗散结构，例如人类身体、群落和生态系统。

耗散结构的特点
1. 非平衡状态：耗散结构存在于非平衡状态下，需要不断地吸收能量和物质来维持自身稳定。

2. 自组织性：耗散结构具有自组织性，可以通过内部机制自我调节和协调。

3. 多样性：耗散结构可以表现出多样性，不同的系统会因为吸收不同的能量和物质而呈现出不同的形态和行为。

4. 敏感性：耗散结构对环境变化非常敏感，小的变化可能会导致系统的崩溃或产生新的结构。

5. 开放性：耗散结构是开放系统，需要从外部吸收能量和物质来维持自身稳定。

耗散结构在进化生态学中的应用
在进化生态学中，耗散结构理论被广泛应用于研究生物群落和生态系
统的演化。

人类社会可以看作是一个耗散结构，人类通过吸收能量和
物质来维持社会稳定，并且社会内部具有自组织性和多样性。

同样地，一个生态系统也可以看作是一个耗散结构，它需要从外部吸收能量和
物质来维持自身稳定，并且具有自组织性和多样性。

通过研究生态系
统的耗散结构特征，可以更好地理解它们的演化过程。

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。