
【化】 dissipative structure
dissipation
【化】 dissipation
frame; structure; composition; configuration; construction; fabric; mechanism
【计】 frame work
【医】 constitution; formatio; formation; installation; structure; tcxture
耗散结构(Dissipative Structure)是一个跨学科的科学概念,尤其在热力学、系统科学和复杂系统研究中具有重要地位。其核心含义如下:
英文:Dissipative Structure
定义:指一个远离平衡态的开放系统,通过与外界持续交换能量和物质,在非线性相互作用下自发形成的时空有序结构。该结构依赖能量耗散维持,故称“耗散结构” 。
远离平衡态
系统需处于非平衡状态(如温度梯度、浓度差),平衡态下仅能趋向无序(熵增)。
例:沸腾液体中的贝纳德对流花纹需持续加热维持 。
非线性动力学
系统内部存在非线性相互作用(如正/负反馈循环),微小涨落可能被放大导致宏观有序。
数学表达:
$$ frac{dX}{dt} = f(X) + sigma(t) $$
其中 $f(X)$ 为非线性函数,$sigma(t)$ 为随机涨落 。
开放性与熵变
系统通过输入能量/物质产生“负熵流”($d_e S < 0$),抵消内部熵增($d_i S > 0$),满足总熵变:
$$ dS = d_i S + d_e S < 0 quad (text{局部有序}) $$
经典案例:生物体通过摄食维持低熵状态 。
领域 | 实例 | 能量/物质交换 |
---|---|---|
物理学 | 激光、流体对流花纹 | 外部光泵浦/加热 |
化学 | B-Z反应(化学振荡) | 反应物持续输入 |
生物学 | 活细胞、生态系统 | 新陈代谢/能量传递 |
社会科学 | 城市系统、经济网络 | 资源流动/信息交换 |
由伊利亚·普里高津(Ilya Prigogine)于1969年提出,解决了热力学第二定律与生命有序性的矛盾,揭示“无序到有序”的自组织机制,推动复杂系统研究发展 。
参考文献
耗散结构是由比利时物理学家伊里亚·普里戈金(I. Prigogine)于20世纪70年代提出的理论,他因此获得1977年诺贝尔化学奖。该理论描述了一种通过能量耗散维持动态有序的系统,以下是其核心内容:
开放系统
耗散结构必须与外界持续交换物质、能量或信息,通过引入“负熵流”抵消系统内部的熵增,从而维持有序性。例如人体通过新陈代谢维持生命活动。
远离平衡态
系统需处于非平衡状态,平衡态下只会趋向无序。例如贝纳特流实验中,上下液层温度差达到阈值时才会形成有序的蜂窝状花纹。
非线性相互作用
系统内部存在复杂的非线性反馈机制,微小涨落可能被放大,引发整体结构的突变和重组。
耗散结构理论连接了物理学与生物学,解释了从无序到有序的自组织现象,并被应用于生态学、经济学等领域,成为复杂系统研究的重要基础。
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