淺析耗散結(jié)構(gòu)理論及基于該理論的金屬凝固研究

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1、淺析耗散結(jié)構(gòu)理論及基于該理論的金屬凝固研究1耗散結(jié)構(gòu)1.1耗散結(jié)構(gòu)的提出1969年，比利時(shí)自由大學(xué)教授普里高津(Prigogene)提出耗散結(jié)構(gòu)理論，證明自然界可以同時(shí)存在從混沌(無序)到有序和從有序到混沌的現(xiàn)象，從而“協(xié)助人類解決了科學(xué)上一項(xiàng)最擾人而又似是而非的問題”，即所謂達(dá)爾文與克勞修斯的矛盾—進(jìn)化與退化的矛盾問題，因而，耗散結(jié)構(gòu)理論被譽(yù)為“七十年代化學(xué)領(lǐng)域的輝煌成就之一”。普里高津也因此項(xiàng)成就而獲得1977年的化學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。1.2耗散結(jié)構(gòu)的定義耗散結(jié)構(gòu)理論主要討論一個(gè)系統(tǒng)從混沌向有序轉(zhuǎn)化的機(jī)理、條件和規(guī)律。它指出，

2、一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)(不管是力學(xué)的、物理的、化學(xué)的，還是生物的、社會的)，當(dāng)其某個(gè)變量變化到一定的臨界值時(shí)，通過漲落發(fā)生突變，即發(fā)生非正衡相變。原來的混沌無序狀態(tài)就有可能轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N時(shí)間、空間、功能有序的新狀態(tài)。這種在遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)形成的宏觀有序結(jié)構(gòu)，需要不斷與外界交換物質(zhì)和能量才能保持一定的穩(wěn)定性，不再因受外界微小擾動(dòng)而消失。普里高津把這種需要耗散物質(zhì)和能量才能維持的有序結(jié)構(gòu)，叫作耗散結(jié)構(gòu)。而這種系統(tǒng)在一定條件下能夠自行產(chǎn)生組織性和相干性。因此，耗散結(jié)構(gòu)理論也叫非平衡系統(tǒng)的自組織理論。1.3耗散結(jié)構(gòu)形成的條件第一，

3、系統(tǒng)必須是一個(gè)開放系統(tǒng)。系統(tǒng)本身要同周圍環(huán)境有物質(zhì)、能量、信息的交換。任何系統(tǒng)，按其與周圍環(huán)境有無物質(zhì)、能量和信息的交換，可分為三種類型:孤立系統(tǒng)，封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)是與外界既沒有物質(zhì)，也沒有能量和信息交換的系統(tǒng)。嚴(yán)格地說，世界上不存在真正的孤立系統(tǒng)。封閉系統(tǒng)是與外界有能量交換(因而也有信息交換)，但沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。開放系統(tǒng)是一種與外界自由地進(jìn)行物質(zhì)和能量及信息交換的系統(tǒng)。城市就是一個(gè)典型的開放系統(tǒng)。它輸進(jìn)食物、燃料、建材、各種信息等，同時(shí)它又輸出產(chǎn)品和廢料。耗散結(jié)構(gòu)存在于開放系統(tǒng)之中。只有系統(tǒng)不斷與外界有能

4、量、物質(zhì)、信息的交流，才能形成新的有序結(jié)構(gòu)并維持下去。一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部不斷有嫡的產(chǎn)生，同時(shí)又從外部引進(jìn)嫡來，使本身的總嫡發(fā)生變化。第二，系統(tǒng)必須處于遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)。一個(gè)孤立系統(tǒng)各參數(shù)達(dá)到不再隨時(shí)間變化的狀態(tài)，稱為平衡狀態(tài)。例如溫度處處相同的系統(tǒng)，就是處于熱平衡狀態(tài)。此時(shí)，系統(tǒng)處于嫡極大的混亂狀態(tài)，不可能產(chǎn)生有序結(jié)構(gòu)。即使系統(tǒng)處于離平衡狀態(tài)不遠(yuǎn)的近平衡區(qū)并與外界有物質(zhì)與能量的交換，但由于自身的抗干擾能力而又自發(fā)地回到平衡狀態(tài)，也不能產(chǎn)生新的有序結(jié)構(gòu)。只有系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)時(shí)，才有可能形成有序結(jié)構(gòu)。第三，系統(tǒng)各要素之間，必須存在著非

5、線性的相互作用。一個(gè)開放系統(tǒng)，即使有大于內(nèi)嫡的負(fù)嫡流注入，也不一定形成有序結(jié)構(gòu)。只有系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間產(chǎn)生相互協(xié)調(diào)動(dòng)作和相干效應(yīng)，才能使系統(tǒng)從雜亂無章變?yōu)榫挥行?。例如，混亂的發(fā)光原子線性疊加以后，仍然是混亂的，只有當(dāng)發(fā)光的原子產(chǎn)生非線性的相干效應(yīng)，才能形成位相、頻率均勻的激光，產(chǎn)生新的有序結(jié)構(gòu)。各要素非線性的相互作用，t決定著系統(tǒng)向有序發(fā)展的方向，然而，系統(tǒng)的發(fā)展方向不只有一個(gè)，而可能有很多個(gè)。系統(tǒng)的這種不同的演化結(jié)果稱之為非線性方程的不同分支解。有的解是穩(wěn)定的，有的解是不穩(wěn)定的，這一方程可用分支點(diǎn)理論求解。第四，漲落導(dǎo)

6、致有序。一個(gè)系統(tǒng)從混沌向有序的演化，既然有幾種可能性，或者說出現(xiàn)幾個(gè)分支解，那么系統(tǒng)怎樣不躍遷到一個(gè)穩(wěn)定有序的解呢?通過理論證明，在這個(gè)躍遷過程中偶然性的隨機(jī)漲落起著十分重要的作用，即通過漲落導(dǎo)致有序。什么叫漲落呢？漲落就是起伏不定，指系統(tǒng)中某個(gè)變量或行為對平均值的偏離，它使系統(tǒng)離開原來的狀態(tài)和軌道。當(dāng)然不是所有的漲落都導(dǎo)致系統(tǒng)從無序向有序發(fā)展。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，漲落是一種干擾，它會引起系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌道的混亂，但系統(tǒng)具有抗干擾能力，它迫使?jié)q落逐漸衰減，使其回到原來的狀態(tài)或軌道。如果系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，漲落便起作用，它

7、不會衰減，反而放大成巨漲落，使系從不穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到一個(gè)新的有序狀態(tài)。這就是“漲落異致有序”。2基于耗散結(jié)構(gòu)理論的金屬凝固研究2.1金屬凝固具備的形成耗散結(jié)構(gòu)的條件(1)凝固過程是一個(gè)開放的系統(tǒng)。凝固過程中，從整體上，固液兩相都與外界有著能量的交換與傳輸；從部分上，在固液界面上既進(jìn)行著物質(zhì)的交換，又進(jìn)行著能量的交換，同時(shí)在固液兩相的各自體系內(nèi)又進(jìn)行著物質(zhì)和能量的傳輸。因此凝固過程是一個(gè)開放的系統(tǒng)。（2）凝固是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的。凝固，根據(jù)定義就知它是一個(gè)不可逆的過程，從熱力學(xué)上講它不是平衡的，因?yàn)槟踢^程必須伴有傳熱過程，有時(shí)還伴

8、有傳質(zhì)過程，有傳熱就有過冷，有傳質(zhì)就導(dǎo)致固液界面處出現(xiàn)溶質(zhì)的富集和貧乏，所以凝固總是在非平衡條件下進(jìn)行的。從嚴(yán)格意義上來說，實(shí)際中的凝固都是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的，這是因?yàn)槟潭际且簯B(tài)變成了固態(tài)，也就是從一種穩(wěn)定有序結(jié)構(gòu)變成了另一種穩(wěn)定有序結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)變的過程中，因?yàn)槟滔到y(tǒng)是開放的，它持續(xù)地受到環(huán)境的影響，系統(tǒng)不