浅析耗散结构理论及基于该理论的金属凝固研究

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1、浅析耗散结构理论及基于该理论的金属凝固研究1耗散结构1.1耗散结构的提出1969年，比利时自由大学教授普里高津(Prigogene)提出耗散结构理论，证明自然界可以同时存在从混沌(无序)到有序和从有序到混沌的现象，从而“协助人类解决了科学上一项最扰人而又似是而非的问题”，即所谓达尔文与克劳修斯的矛盾—进化与退化的矛盾问题，因而，耗散结构理论被誉为“七十年代化学领域的辉煌成就之一”。普里高津也因此项成就而获得1977年的化学诺贝尔奖。1.2耗散结构的定义耗散结构理论主要讨论一个系统从混沌向有序转化的机理、条件和规律。它指出，

2、一个远离平衡态的开放系统(不管是力学的、物理的、化学的，还是生物的、社会的)，当其某个变量变化到一定的临界值时，通过涨落发生突变，即发生非正衡相变。原来的混沌无序状态就有可能转变为一种时间、空间、功能有序的新状态。这种在远离平衡的非线性区形成的宏观有序结构，需要不断与外界交换物质和能量才能保持一定的稳定性，不再因受外界微小扰动而消失。普里高津把这种需要耗散物质和能量才能维持的有序结构，叫作耗散结构。而这种系统在一定条件下能够自行产生组织性和相干性。因此，耗散结构理论也叫非平衡系统的自组织理论。1.3耗散结构形成的条件第一，

3、系统必须是一个开放系统。系统本身要同周围环境有物质、能量、信息的交换。任何系统，按其与周围环境有无物质、能量和信息的交换，可分为三种类型:孤立系统，封闭系统和开放系统。孤立系统是与外界既没有物质，也没有能量和信息交换的系统。严格地说，世界上不存在真正的孤立系统。封闭系统是与外界有能量交换(因而也有信息交换)，但没有物质交换的系统。开放系统是一种与外界自由地进行物质和能量及信息交换的系统。城市就是一个典型的开放系统。它输进食物、燃料、建材、各种信息等，同时它又输出产品和废料。耗散结构存在于开放系统之中。只有系统不断与外界有能

4、量、物质、信息的交流，才能形成新的有序结构并维持下去。一个系统内部不断有嫡的产生，同时又从外部引进嫡来，使本身的总嫡发生变化。第二，系统必须处于远离平衡的状态。一个孤立系统各参数达到不再随时间变化的状态，称为平衡状态。例如温度处处相同的系统，就是处于热平衡状态。此时，系统处于嫡极大的混乱状态，不可能产生有序结构。即使系统处于离平衡状态不远的近平衡区并与外界有物质与能量的交换，但由于自身的抗干扰能力而又自发地回到平衡状态，也不能产生新的有序结构。只有系统远离平衡状态时，才有可能形成有序结构。第三，系统各要素之间，必须存在着非

5、线性的相互作用。一个开放系统，即使有大于内嫡的负嫡流注入，也不一定形成有序结构。只有系统内部各要素之间产生相互协调动作和相干效应，才能使系统从杂乱无章变为井然有序。例如，混乱的发光原子线性叠加以后，仍然是混乱的，只有当发光的原子产生非线性的相干效应，才能形成位相、频率均匀的激光，产生新的有序结构。各要素非线性的相互作用，t决定着系统向有序发展的方向，然而，系统的发展方向不只有一个，而可能有很多个。系统的这种不同的演化结果称之为非线性方程的不同分支解。有的解是稳定的，有的解是不稳定的，这一方程可用分支点理论求解。第四，涨落导

6、致有序。一个系统从混沌向有序的演化，既然有几种可能性，或者说出现几个分支解，那么系统怎样不跃迁到一个稳定有序的解呢?通过理论证明，在这个跃迁过程中偶然性的随机涨落起着十分重要的作用，即通过涨落导致有序。什么叫涨落呢？涨落就是起伏不定，指系统中某个变量或行为对平均值的偏离，它使系统离开原来的状态和轨道。当然不是所有的涨落都导致系统从无序向有序发展。当系统处于稳定状态时，涨落是一种干扰，它会引起系统运动轨道的混乱，但系统具有抗干扰能力，它迫使涨落逐渐衰减，使其回到原来的状态或轨道。如果系统处于不稳定的临界状态，涨落便起作用，它

7、不会衰减，反而放大成巨涨落，使系从不稳定状态跃迁到一个新的有序状态。这就是“涨落异致有序”。2基于耗散结构理论的金属凝固研究2.1金属凝固具备的形成耗散结构的条件(1)凝固过程是一个开放的系统。凝固过程中，从整体上，固液两相都与外界有着能量的交换与传输；从部分上，在固液界面上既进行着物质的交换，又进行着能量的交换，同时在固液两相的各自体系内又进行着物质和能量的传输。因此凝固过程是一个开放的系统。（2）凝固是远离平衡态的。凝固，根据定义就知它是一个不可逆的过程，从热力学上讲它不是平衡的，因为凝固过程必须伴有传热过程，有时还伴

8、有传质过程，有传热就有过冷，有传质就导致固液界面处出现溶质的富集和贫乏，所以凝固总是在非平衡条件下进行的。从严格意义上来说，实际中的凝固都是远离平衡态的，这是因为凝固都是液态变成了固态，也就是从一种稳定有序结构变成了另一种稳定有序结构，在转变的过程中，因为凝固系统是开放的，它持续地受到环境的影响，系统不