耗散结构理论
耗散结构的有序表现为宏观上的有序, 是一种处于运动变化中的活结构, 体 系的状态和性能都向着优化方向转变, 因此耗散结构具有广泛应用性。
耗散结构理论与地理系统
现代科技革命的巨浪越来越有力地冲击着任何 学科的研究领域。作为基础学科之一的地理学 应浪而起, 不失时机地把诸如“ 老三论” 、 “ 新三论” 等新理论和新方法引入自身的研 究领域。随着“ 新鲜血液” 的不断注入, 地 理学内部产生了两个基本模式: 地理系统论与 建设地理学。 地理系统论把地球表层及其组成部分的概念系 统化为多因素、多级次、多功能、多过程的相 互作用为非加法的开放系统, 系统内所有的自 然、人文地理要素间均存在着错综复杂的有机 联系和非线性作用。
耗散结构理论
在耗散结构理论中, 普利高津为了说明系统是 如何与外界相互作用进而从无序转变为有序的, 因而引入了熵的概念。 熵在热力学中是指系统有序程度大小的量度,熵 越大,系统的无序程度越高。 热力学第二定律指出, 对于一个非平衡的孤立 系统, 它的熵总是自发地趋于极大, 最终达到 一个具有最大熵值的平衡态【一个宏观静止、 分子排列最混乱的状态】。
在地理系统中,耗散结构的所谓地理时空有序， 就是地理时空对称的破缺,所谓地理组织和结构 性的产生,实质上是地理对称员的减少。完全的 地理系统就意味着没有任何地理秩序,没有任何 地理结构和信息,这正是孤立的地理系统处在平 衡态的特点。 地理系统内地理力的存在,就意味着“ 非平 衡” , 地理系统维持着这种促使其有序的非平 衡,并在不断打彼内部各头“ 平衡” 的基础上 创造新的非平衡。
地理系统是要素间有非线性相互作用的系统
地理系统是一个具有整体性和倏忽性等重要特 性的复杂系统, 因此在地理系统中, 作为输出 能显物质的“ 营养源” 的自然地理系统和作 为输入营养的“ 营养汇” 的人文池理系统之 间相互促进又相互制约, 彼此间存在着极复杂 的非线性相互作用( 反馈、自催化、自组织、 自我复制等) , 同时自然、人文地理系统内部 的各要素间的非线性联系更为密切。
地理系统是一个动态涨落系统
地理系统的时间组织性决定了地理系统是一个 演变着的动态系统, 其演变的重要机制是偶然 性的随机涨落。
地理系统是一个动态涨落系统
众多涨落的并存,决定了地理系统进化是个由环境选择 的过程。几个涨落的合作与竞争, 导致了地理系统进化 过程的复杂性。地理系统进化的最终目的是通过涨落形 成耗散结构, 并赋予其特定的社会经济功能。地理系统 进化过程的永无止境, 体现出结构、功能、涨落三者之 间极为复杂的反馈关系, 如图3 所示。
可以用中国传统的阴阳 学说来描述热力学第二
定律 下面是阴阳的标志
以太极图作为一个孤立系统，它的熵总是自发地趋于极大, 这个 熵增的过程使其最终达到一个具有最大熵值的平衡态----阴阳独 旺，从而达到最无序的状态。
阴阳失衡的惨烈
耗散结构理论
对于一个开放体系来说, 熵的变化可分为两个部分: 一 部分是体系本身由于不可逆过程引起的熵增加, 记为 dis( dis> 0) ; 另一部分是系统与外界交换物质和能 量引起的熵流, 记为des( des 可正可负) 。整个开放 系统的熵( 即总熵)的变化ds 就可以写成两项之和, 即: ds= des+ dis。 在开放系统中, 如果熵流des 为负值且绝对值又大于熵 增加( dis) 时, 则ds= des+ dis< 0, 这时总熵可以逐 步减少, 使系统由无序趋向新的有序。非平衡的开放系 统可以通过与外界交换物质和能量获得负熵流来减少总 熵, 从而达到新的有序状态。
地理系统是一个开放系统
ds=dis+des
式中d表示地理系统的嫡产生,dis>o,des表示地 理系统与外界交操能量物质和信息引起的滴流, 其值可正可负。当diS<0且∣des∣>dis时,ds<0, 只要系统的负嫡流逐渐增加,总嫡变就逐渐减少, 地理系统就会逐渐地由无序转向有序。
地理系统是一个非平衡系统
耗散结构理论简介
耗散结构( Diissipative Structure) 理论是20世纪70 年代兴起的一种新的科学方法论 , 它是基于物理中热 力学第二定律发展起来的。1977 年, 比利时著名理学 家普利高津( Prigogine) 因成功地提出了耗散结构理 论而荣获诺贝尔奖。普利高津指出, 一个远离平衡的开 放体系( 不管是力学的、物理的, 还是化学的、生物 的) , 当外界条件达到某一阈值时, 量变可能引起质变, 系统通过不断地与外界交换能量和分子,会自动出现一 种自组织现象, 组成系统的各子系统会产生一种互相协 调的作用, 从而可能从原来的无序状态变为一种时间、 空间和功能的有序结构。这种非平衡状态下的新的有序 结构就是耗散结构。
地理系统是一个开放系统
地理学是研究地理系统的科学。地理科学研究 地理系统的模型有孤立系统、封闭系统、开放 系统三类。相比之下开放的地理系统具有“ 活” 性, 更具有普遍意义。开放性是地理系统的首 要特性, 耗散结构理论引入“ 地理嫡,剖析地 理系统的这一特性。 如果地理系统内各要素有组合的最大任意性,则 每种组合的概率相等,地理嫡取最大值,这时理 系统最无序,最对称;若组合有最小任意性,则地 理嫡取最小值,地理系统最有序。然而,真实的 地理系统嫡值dis+des。
耗散结构理论与地理系统
地理系统作为耗散结构系统具有四个重要 特性：即地理系统是一个开放系统，非平 衡系统，系统内要素间有非线性相互作用 的系统，动态涨落系统。其研究的最终目 的在于使地理系统执行特定的社会经济功 能。
以月亮阴晴圆缺为例说明耗散结果理论
而此部分 则是引入 负熵流的 过程。由 系统的恢 复可知负 熵流需依 据熵增过 程来判断 如何引入 负熵流。
这一部 分说明 了一个 开放系 统的熵 增的过
程。
这是它的动态过程图
耗散结构形成与维持基本条件
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； 四是系统内部存在着非线性相互作用。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， 达到有序。