耗散结构理论课件.ppt

1、SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室1第五章：第五章：SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室2由力學觀點來看系統由力學觀點來看系統 經典力學熱力學動力學熱力學第二定律一個物體和兩個物體之間關係的基本解決包含大量子系統的系統內部的運動變化規律問題的探索說明簡單的事物或系統運動對複雜對象作整體研究的開端將注意力放在把研究分解成許多小單元研究由大量子系統構成複雜系統的內部狀態變化透過線性數學來描述透過統計數學及非線性數學方法是還原論的、

2、簡單性整體的、複雜性的問題代表學理問題範圍研究方法探討方向數學模型特色SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室3有序與無序？有序與無序？ 何謂序？ 順序，具有差異性，因某種功能而排列，而非均勻一致。有序系統內部之各處存在可被辨識之差異，可以被描述標示其分佈。無序系統內部均勻分佈，沒有順序性。SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室4熵與不可逆運動熵與不可逆運動 熱力學第二定律 孤立系統有一種不可逆的變化趨勢，從非平衡的有序狀態，逐漸轉變

3、為均勻平衡的無序態。 達到均勻的無序態時，系統熵值最大 。 熵增原理。 熵作為一個系統的狀態函數是系統內部無序程度的量。 以埃倫菲斯特(Ehrenfest)缸子模型得到數學及實驗性的驗證。 SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室5埃倫菲斯特埃倫菲斯特(Ehrenfest)缸子模型缸子模型 當系統混亂的程度(離開平衡的量n, 漲落)越大，模型中的遷移率也就越大，往平衡方向移動的速度相對增大 最終會達到均衡，兩缸有相同數量的球，至此兩遷移率相等，難脫離平衡N+nN-nN+n2NN-n2NSDLTsai, L.C.20

4、22/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室6時間與進化的疑難時間與進化的疑難 與以往的運動現象完全不同的不可逆過程。 覆水難收 、 不可能返老還童此不可逆運動似乎同時展現時間不可逆轉的經驗性與客觀存在性。 時間一去不復返這種不可逆運動所指的運動發展方向卻是使人困惑與失望的。 進化發展終至失敗SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室7耗散結構理論面臨課題耗散結構理論面臨課題 熱寂說：宇宙的熵趨於極大，將進入一片死寂永恆的狀態 克勞修斯 自然是進化發展的，生命向著高級複雜

5、的方向運動生命現象自然是增熵的？生命的不斷進化 SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室8自然界中兩類有序現象自然界中兩類有序現象 在空間與功能兩方面有序是生命的基本特性。 自然界可區分出兩類結構或有序 平衡結構或平衡有序 液、固、氣態的相變；晶體；雪花；鐵磁體等 非平衡結構或非平衡的有序 生命體非平衡結構依賴系統不斷的物質運動和能量耗散來維持，普利高津稱為“耗散結構” SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室9平衡有序平衡有序 與與

6、非平衡有序非平衡有序 平衡有序平衡有序非平衡有序非平衡有序都是在平衡條件下形成必須在非平衡或遠離平衡的條件下形成相變需在系統與環境的能量交換的條件下進行，平衡的維持則不需要形成後必須在非平衡的條件下維持宏觀層次上，系統整體大量粒子無規運動的統計平均結果是穩定的，對時間保持不變性系統在一定的範圍、一定的層次和狀態下保持對空間與時間變換的整體穩定性，透過空間循環性和時間周期性表現有序結構的穩定性空間中展現一定的規律性、無進一步發展的可能、“死”結構包含著進一步變化與重新合作的巨大潛力“活”結構形成條件維持條件結構表現演 化 性SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立

7、中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室10耗散結構的典型驗證耗散結構的典型驗證1貝納德(Bnard)對流實驗 T2T1SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室11耗散結構的典型驗證耗散結構的典型驗證 2雲街 中央氣象局提供 美國國家宇航局衛星拍攝到稱作“雲街(cloud street)”的大氣現象。當島嶼一類的障礙物擋住海面上的積層雲，有時會産生雲街現象。雲街現象産生時，島嶼周圍的氣流形成旋渦，旋渦順風而動，場面十分壯觀。延伸了180多英里這些照片是通過多角度成像光譜輻射計拍攝而成的。SDLTsai, L

8、.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室12耗散結構的典型驗證耗散結構的典型驗證 3 B-Z (Belousov-Zhabotinski) 反應 Zhabotinski花紋 SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室13開放系統是系統進化的基礎開放系統是系統進化的基礎 熱力學第二定律孤立系統dSdiS0 ，與外界無物質、能量、訊息等交換 現實系統開放系統dSdiSdeS，deS表系統熵流，及系統與環境進行物質、能量、訊息等交換時形成的熵值變化 由於deS(熵

9、流)，系統的演化方向出現新的可能，不一定是增熵，還可能向有序的方向發展 dSdSd di iS Sd de eS SSDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室14區分對時間的描述區分對時間的描述( (普利高津）普利高津） 相相對對理理論論時時間間方方向向性性牛頓動力學時間無方向性熱力學第二定律具方向性和不可逆性非平衡熱力學或耗散結構理論具不可逆性方向與與運運動動有有關關與與熵熵有有關關與與耗耗散散結結構構有有關關研研究究之之狀狀態態系系統統演演化化特特性性簡單無法顯現演化和發展問題多體複雜孤立系統顯現演化性，未能揭示

10、進化與發展的條件指向發展演化多體開放系統揭示進化與發展的條件SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室15非平衡是有序之源非平衡是有序之源 系統封閉狀態增熵，演化趨向平衡、無序、結構消失與極度混亂。 一系統如能進化，能產生耗散結構必須是開放系統 (開放不一定就會進化) 系統開放是系統與環境間存在著相互作用的關係，系統新結構的產生仍是系統內部相互作用造成。 系統開放的主要作用是導致系統內部非平衡狀態。開放系統中，由於外部條件不斷影響，系統不處於平衡而表現漲落，處於不斷離開平衡又恢復平衡的運動，形成新的有序。 SDLTs

11、ai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室16非平衡態的區分非平衡態的區分 近平衡的非平衡態：局部的外部影響引起暫時系統暫時的漲落，總體趨勢很快恢復平衡。 Example:如滴水入池、冷水加入熱水等 很難形成有序結構 遠離平衡的非平衡態： 外部環境對系統顯著及持續作用的開放條件下，系統處理巨漲落，形成系統宏觀的超負荷流。 Example:湍流中的旋渦、經濟發展與科學技術進步造成新的社會政治結構。 真正形成有序結構之源 SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統

12、設計研究室17分叉與非線性分叉與非線性 開放系統環境的影響(外部控制參量l) 系統產生巨漲落 可能形成耗散結構或新有序結構系統處於平衡態或近平衡區時，系統只有穩定態。外參量l提高，系統進入遠平衡區，直至外參量達到一閾值lc，狀態開始失穩，系統開始形成新的有序穩定態。有序是一種新對稱性 的破缺，系統狀態處 於兩種或多種新的穩 定態選擇，也可能存 著原有的無序態。a穩定近平衡區遠平衡區唯一解多重解外部控制參量llcdba系統狀態x穩定穩定不穩定SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室18分叉與非線性分叉與非線性較簡單的

13、耗散系統表現一級分叉，複雜的系統可能在第一級分叉穩定態上形成二及、三級分叉和對分叉穩定狀態的選擇。系統分化及有序結構 數學上需以非線性方程式描述 多重解，反應系統的分化、分叉及複雜化 意味著子系統間出現相干性及相互作用。 例：B-Z反應表現化學鐘是一種時間性的對稱破缺、 貝納德流顯現空間性分叉和對稱破缺普利高津把開放系統、非平衡及非線性相互作用作為形成耗散結構的基本條件。SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室19耗散結構理論的社會實踐意義耗散結構理論的社會實踐意義 耗散結構理論是關於一般系統進化發展的內在機制討論

14、 進化本身是通過出現新的更高級”耗散結構”而逐步發展成一個複雜多樣化的生物及社會有機體的過程。SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室20以耗散結構研究社會現象以耗散結構研究社會現象物質商品,原料.等鐵公路,管線.能量電力,資金.等訊息電信,廣播.等社會系統通訊,媒體.電纜.訊息電信,廣播.等物質商品,原料.等污廢物垃圾,廢能.等能量電力,資金.等InputInputOutputOutputSDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室21組

15、織與管理中的熵概念組織與管理中的熵概念 社會組織為一耗散系統內部必然存在熵(混亂、無序度)自然增加的過程管理者的指令、調整及改革輸入與輸出 (人員訓練及流動、物料流通、機具更替)人員老化、設備折舊、商品競爭力降低、意外災害、制度的不適宜耗散由於耗散結構理論研究，現代科學和管理學對社會系統的認識有一種新的合理的觀念或尺度熵。 SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室22非平衡是社會組織運動發展的起點非平衡是社會組織運動發展的起點 非平衡是有序之源非平衡指系統內部的差異性、分化性及不均等的狀態傳統社會模式中，社會管理追

16、求的處處均勻平等的”大同社會”與”共產”，是把社會推向進步還是拉向退後？由耗散結構的觀點，系統越是接近平衡態，系統的自主控制功能就越差，內部也就越混亂。現代管理系統，組織各部門應多差異，結構逐漸分化，功能才能逐漸複雜。各司其職、階段分明 SDLTsai, L.C.2022/6/23國立中央大學機械工程學系國立中央大學機械工程學系系統設計研究室系統設計研究室23社會組織是透過流動而形成有序社會組織是透過流動而形成有序 非平衡會導致系統內部的宏觀流動，產生新的有序例：財富差異造成資金的流動 風土民情的不同造就旅遊與人口遷移 系統科學強調的差異主要指局部特性和特色，不是強調某種懸殊的差異性。 社會系統中外參量的閾值點過大可能便要造成革命收場