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。

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。