耗散系统

✍ dations ◷ 2025-04-05 00:44:18 #热力学,统计力学,非线性物理学,非平衡态热力学

耗散系统(Dissipative system)是指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、热带气旋及生物体。像镭射、瑞利–贝纳尔对流(英语:Rayleigh–Bénard convection)及B-Z反应也是耗散结构的例子。

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(英语:extremal principles in non-equilibrium thermodynamics)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,产生熵,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的是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,耗散结构描述在远离平衡态的开放系统中“生”的机制,但其先决假定条件是存在提供能量、物质,并且可以交换熵的外环境。

一开放系统的熵变化可以表示如下:

熵变化可以分解为系统内( d S i {\displaystyle \,dS_{i}} )及系统外的( d S e {\displaystyle \,dS_{e}} ,和环境交换的熵)。

在封闭系统中系统无法和环境交换熵,因此( d S = d S i {\displaystyle dS=dS_{i}} ),根据热力学第二定律 d S i 0 {\displaystyle dS_{i}\geq 0} (等号成立时表示平衡),因此 d S 0 {\displaystyle dS\geq 0}

不过在开放系统中,系统可以和环境交换熵,因此可以形成一个稳态的结构,假设总熵不变 d S = 0 {\displaystyle dS=0} ,根据热力学第二定律 d S i 0 {\displaystyle dS_{i}\geq 0} ,因此可得

在系统及控制理论中,耗散系统是满足“耗散不等式”的动力系统,假设其状态、输入及输出分别为 x ( t ) {\displaystyle x(t)} u ( t ) {\displaystyle u(t)} y ( t ) {\displaystyle y(t)}

假设一个函数 w = u y {\displaystyle w=u\cdot y} ,其针对任何输入 u {\displaystyle u} 及初始状态 x ( 0 ) {\displaystyle x(0)} ,在任意有限时间内的积分都为有限值,将此函数称为供应率函数,则一个系统为耗散系统的条件是存在一个连续的非负函数 V ( x ) {\displaystyle V(x)} (称为储存函数),使得针对任意输入 u {\displaystyle u} 及初始状态 x ( 0 ) {\displaystyle x(0)} ,以下的不等式(耗散不等式)都成立:

耗散系统的耗散不等式也可以表示为以下的形式:

物理的解释可将 V ( x ) {\displaystyle V(x)} 视为是系统的能量,而 u y {\displaystyle u\cdot y} 是单位时间输入系统的能量。

此表示方式和李雅普诺夫稳定性有很强的关系,在系统有特定可控制性及可观察性的条件时,储存函数可以作为李雅普诺夫函数。

简单来说,耗散理论可以用来设计线性及非线性系统的回授控制。耗散系统理论是由V.M. Popov、J.C. Willems、D.J. Hill 及P. Moylan等学者提出。对于线性非时变系统,耗散系统即为正实转移函数,而且Kalman–Yakubovich–Popov引理可以联系正实系统的相空间及频域相关特性。由于耗散理论在应用上的重要性.其仍为系统及控制研究的热门领域之一。

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(英语:Time reversibility),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(英语:Lindblad equation)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。

相关

  • 免疫分析免疫分析是一种利用抗体或抗原对某种溶液中的大分子或小分子进行测量的生物化学实验技术。免疫分析既可以定性确认某种大分子或小分子是否存在于受测溶液中,也可以定量测量某
  • 去灭绝去灭绝(de-extinction)又称复活生物学(resurrection biology)或生物复活(species revivalism),是让灭绝的生物复活的过程。包括重新生育出该种生物,或是制造出外观非常类似的个体。
  • 庄巧生庄巧生(1916年8月5日-),福建闽侯人,中国遗传育种学家。1939年毕业于金陵大学农学院,获学士学位。中国农业科学院作物育种栽培研究所研究员。1991年当选为中国科学院院士(学部委员)。
  • 花儿花儿,又名少年,流行于中国西北甘肃、青海和宁夏的汉、回、土、撒拉、东乡、保安等族的一种民歌。花儿以抒情居多,通常为独唱或对唱形式。在青海又称为“少年”,演唱称“漫少年”
  • 国防部政治作战局国防部政治作战局为中华民国国防部的政治作战最高专责单位,负责中华民国国军政治作战工作之策划与督导。1920年代,中国国民党总理孙中山有感当时中国各地军阀分据,需要教育养成
  • 正历正历可以指:
  • 沃尔玛沃尔玛公司(英语:Walmart Inc)是一家美国的跨国零售企业,总部设在阿肯色州本顿维。是美国《财富》杂志2014-2018年评选的全球最大500家公司的排行榜中的第1名。也是世界上最大的
  • 5月22日泰国爆发军事政变除特别注明外,本文所有时间均以东七区时间(UTC+7)为准。2014年泰国政变,是指发生于2014年5月22日,由泰国军方陆军总司令巴育·占奥差与军方官员透过电视向全国宣布强行接管政府的
  • 圣安德烈亚斯断层圣安德列斯断层(英语:San Andreas Fault,又译圣安地列斯断层、圣安德烈亚斯断层、圣安德鲁斯断层),是北美洲一处频繁活动的断层。此断层约1300千米长,位于太平洋板块和北美洲板块
  • 约翰·德莱顿约翰·德莱顿(英文:John Dryden,1631年-1700年),英国著名诗人、文学家、文学批评家、翻译家。是1668年的英国桂冠诗人。 他被当做是王政复辟时期的主要诗人,以至于这一段文学史被称