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耗散结构体系

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1 拼音

hào sàn jié gòu tǐ xì

2 注解

1968年,比利时化学家Prigogine I R在历经了近20年的探索以后,提出了耗散结构理论。他指出:一个开放体系在达到远离平衡态的非线性区域时,一旦体系的某一个参量达到一定阈值后,通过涨落就可以使体系发生突变,从无序走向有序,产生化学振荡一类的自组织现象。这里,实质上是提出了产生有序结构的以下四个必要条件:

开放体系

这样才可能同外界交换物质与能量形成有序结构。具体说来,这样才可能从外界向体系输入反应物等来使体系的自由能或有效能量不断增加,即有序度不断增加;同时,才可能从体系向外界输出生成物等来使体系无效能不断减少,即无序度或熵量不断减少。前者是向体系输入负熵,后者是从体系输出正熵,从而使体系的总熵量增长为零或为负值,以形成或保持有序结构。输入负熵,是消耗外界有效物质与能量的过程;输出正熵,是发散体系无效物质与能量的过程。这一耗一散,也就成了产生自组织有序结构的必要条件。因此,自组织有序结构也就可以称为耗散结构。显然,耗散结构在非开放体系中是不可能形成或保持的。

远离平衡态

这样才可能使体系具有足够的反应推动力,推进无序转化为有序,形成耗散结构。例如在恒温恒压条件下,可以使反应物浓度远高于平衡浓度,生成物浓度远低于平衡浓度,从而在实际浓度与平衡浓度间造成巨大浓度差,以推进化学振荡反应的产生。相反,如果在平衡态,则实际浓度与平衡浓度相等,二者之差为零,反应推动力为零,反应已经达到极限,反应体系的浓度已经不再随时间变化发生任何变化,即已经达到“时间终点”。因此,也就不可能产生浓度随时间空间而发生周期性变化的化学振荡现象。此外,在平衡态,体系的熵量已经增至极大,无序度已经增至极大,从而也不可能产生有序。所以 Prigogine I R说,非平衡是有序之源。形象地看,这好比是往咖啡里面加牛奶,达到平衡时的最后状态只能是一碗混沌无序的灰色浑汤。但是在达到那个状态以前的非平衡态,则白牛奶在黑咖啡里排演了多少瞬息万变的漩涡花样和结构!可见,有序的生机是在远离平衡态时萌动的。

非线性作用

即体系内各要素之间具有超出整体是局部线性叠加效果的非线性作用,是一种所得超所望的非线性因果关系,即一个小的输入就能产生巨大而惊人效果。这样才可能使体系具有自我放大的变化机制,产生突变行为和相干效应、协同动作,以异乎寻常的方式重新组织自己,实现有序。相反,如果只是具有线性作用,要素间的作用只能是线性叠加即量的增长而不能产生质的飞跃和实现有序。

这种非线性作用,在化学体系中是体现在反应链上存在着自催化或交叉催化的环节,即某些反应物分子的一个生成物正是它们自身所需要催化剂,从而使反应速率达到雪崩式的加快(自催化);或属于两个不同反应链上的两个产物能各自催化对方的反应(交叉催化),其结果是可以产生一种难以控制的剧变行为。这种自催化或交叉催化产生的剧变行为,在技术控制论中被称为正反馈,即某种对于指定参考值的偏差不仅未能消除反而得到加强的行为。在化学振荡反应中,正是由于具有了正反馈,才使体系得以造成失稳、活化、放大成“化学钟”里的前后呼应的颜色变化,产生周期性的振荡。实际上,正反馈是一种自我复制、自我放大的变化机制,因此才能使亿万分子的微观行为像得到指令般地协同动作并在宏观上实现有序。可见,正反馈、自催化或交叉催化或非线性的相互作用,是产生化学耗散结构的不可缺少的动力条件。

涨落作用

即体系中温度、压力、浓度等某个变量或行为与其平均值发生偏差的作用。体系具有涨落或起伏的变化,才能启动非线性的相互作用,使体系离开原来的状态,发生质的变化,跃迁到一个新的稳定的有序态,形成耗散结构。因此,涨落是一种启动力,涨落导致有序。涨落主要是由于受到体系内部或外部的一些难以控制的复杂因素干扰引起的,带有随机的偶然性,然而却可以导致必然的有序。这就再一次表明,必然性要通过偶然性来表现,偶然性是必然性的补充。

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  • 评论总管
    2020/11/27 3:14:35 | #0
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本页最后修订于 2010年3月21日 星期日 21:15:38 (GMT+08:00)
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