耗散系统

更新时间:2022-11-28 11:17

耗散系统(Dissipative system)是指一个远离热力学平衡状态的开放系统,此系统和外环境交换能量物质和熵而继续维持平衡,对这种结构的研究,解释了自然界许多以前无法解释的现象。

简介

耗散系统(Dissipative system)是指一个远离热力学平衡状态的开放系统,此系统和外环境交换能量物质和熵而继续维持平衡,对这种结构的研究,解释了自然界许多以前无法解释的现象。

耗散结构一词由比利时物理学家化学家伊里亚·普里高津发明。普里高津创立了耗散结构理论,研究一个系统从混沌无序向有序转化的机理、条件和规律的科学,他为此曾获1977年诺贝尔化学奖

常见的耗散结构包括对流气旋热带气旋生物体。像镭射、瑞利–贝纳尔对流及B-Z反应也是耗散结构的例子。

特点

耗散结构的特点是自发生的对称性破缺(各向异性)以及复杂,甚至混沌的结构。普里高津考虑的耗散结构有其动态的机制,因此可以视为热力学上的稳态,有时也可以用适当的非平衡热力学中的极值定理来描述。

以前的物理理论认为,只有能量最低时,系统最稳定,否则系统将消耗能量,产生,而使系统不稳定。耗散结构理论认为在高能量的情况下,开放系统也可以维持稳定。例如生物体,以前按照热力学定律,是一种极不稳定的结构,不断地产生熵而应自行解体,但实际是反而能不断自我完善。其实生物体是一种开放结构,不断从环境中吸收能量和物质,而向环境放出熵,因而能以破坏环境的方式保持自身系统的稳定。城市也是一种耗散结构。

牛顿的万有引力描述一个无始无终按规律运行的美好世界,而热力学第二定律描述的是一切终将走向灭亡的热寂,相较之下,耗散结构描述在一个远离平衡态的开放系统中“生”的机制,但存在一个提供能量、物质和熵的外环境是其先决假定条件。

量子力学中的耗散系统

量子力学及其他以哈密顿力学为基础的经典动态系统,具有时间可逆转性,其本质无法描述耗散系统。理论上可以将系统进行弱耦合,以谐振子为例,可以将许多处于热平衡,但频率各自不同的谐振子视为一个整体,整体有很宽的频谱,记录整体平均的情形。会得到一个主方程,是林德布劳德方程的特例,而林德布劳德方程可视为刘维尔定理的量子力学版本。

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