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  耗散系統

耗散系統(Dissipative system)是指一個遠離熱力學平衡狀態的開放系統,此系統和外環境交換能量、物質和熵而繼續維持平衡,對這種結構的研究,解釋了自然界許多以前無法解釋的現象。

目錄

簡介

耗散系統(Dissipative system)是指一個遠離熱力學平衡狀態的開放系統,此系統和外環境交換能量、物質和熵而繼續維持平衡,對這種結構的研究,解釋了自然界許多以前無法解釋的現象。耗散結構一詞由比利時物理學家、化學家伊里亞·普里高津發明。普里高津創立了耗散結構理論,研究一個系統從混沌無序向有序轉化的機理、條件和規律的科學,他為此曾獲1977年諾貝爾化學獎。常見的耗散結構包括對流、氣旋、熱帶氣旋及生物體。像鐳射、瑞利–貝納爾對流及B-Z反應也是耗散結構的例子。

評價

耗散結構的特點是自發生的對稱性破缺(各向異性)以及複雜,甚至混沌的結構。普里高津考慮的耗散結構有其動態的機制,因此可以視為熱力學上的穩態,有時也可以用適當的非平衡熱力學中的極值定理來描述。以前的物理理論認為,只有能量最低時,系統最穩定,否則系統將消耗能量,產生熵,而使系統不穩定。耗散結構理論認為在高能量的情況下,開放系統也可以維持穩定。例如生物體,以前按照熱力學定律,是一種極不穩定的結構,不斷地產生熵而應自行解體,但實際是反而能不斷自我完善。其實生物體是一種開放結構,不斷從環境中吸收能量和物質,而向環境放出熵,因而能以破壞環境的方式保持自身系統的穩定。城市也是一種耗散結構。牛頓的萬有引力描述一個無始無終按規律運行的美好世界,而熱力學第二定律描述的是一切終將走向滅亡的熱寂,相較之下,耗散結構描述在一個遠離平衡態的開放系統中「生」的機制,但存在一個提供能量、物質和熵的外環境是其先決假定條件。量子力學及其他以哈密頓力學為基礎的經典動態系統,具有時間可逆轉性,其本質無法描述耗散系統。理論上可以將系統進行弱耦合,以諧振子為例,可以將許多處於熱平衡,但頻率各自不同的諧振子視為一個整體,整體有很寬的頻譜,記錄整體平均的情形。會得到一個主方程,是林德布勞德方程的特例,而林德布勞德方程可視為劉維爾定理的量子力學版本。[1]

參考文獻