岩石可释放应变能及耗散能的实验研究

岩石可释放应变能及耗散能的实验研究一、本文概述《岩石可释放应变能及耗散能的实验研究》这篇文章主要探讨了岩石在受到外力作用时，其内部应变能的释放以及耗散能的过程。通过深入研究这一过程，我们不仅能够更深入地理解岩石的物理性质和行为特性，还能为地质工程、地震预测和防治等领域提供重要的理论依据和实践指导。文章首先介绍了岩石应变能和耗散能的基本概念，以及它们在地质学中的重要意义。接着，详细阐述了实验研究的目的和意义，包括了解岩石在不同应力条件下的应变能释放规律和耗散机制，以及这些因素如何影响岩石的稳定性和地震活动的发生。在实验部分，文章详细介绍了实验设计、材料选择、数据采集和处理方法。通过一系列的实验操作，我们得到了大量关于岩石应变能和耗散能的数据，并对其进行了深入的分析和讨论。实验结果表明，岩石的应变能释放和耗散过程受到多种因素的影响，包括岩石类型、应力水平、加载速率等。文章总结了实验研究的主要发现和结论，并对未来的研究方向进行了展望。通过本文的研究，我们不仅增进了对岩石应变能和耗散能的理解，还为相关领域的研究提供了有益的参考和启示。二、岩石应变能及耗散能理论基础岩石在受到外力作用时，其内部将发生应变，进而存储一定的应变能。当岩石内部应力达到某一阈值时，岩石将发生破坏，此时存储的应变能将以耗散能的形式释放出来。为了深入理解岩石的应变能和耗散能特性，我们需要从弹性力学和断裂力学的基本原理出发，建立岩石应变能及耗散能的理论模型。弹性力学理论告诉我们，岩石在弹性变形阶段，其应变能与应力、应变之间存在线性关系。根据Hooke定律，岩石的应力应变关系可以表示为E，其中为应力，E为弹性模量，为应变。岩石在弹性变形阶段存储的应变能U可以通过积分应力应变曲线得到，即Ud。当岩石进入塑性变形阶段或发生断裂时，应力应变关系变得非线性，且岩石内部将产生耗散能。耗散能主要是由于岩石内部微裂纹的扩展、摩擦以及塑性变形等过程消耗的能量。耗散能的大小与岩石的微观结构、应力状态以及加载速率等因素密切相关。断裂力学理论为我们提供了描述岩石断裂过程中耗散能的理论框架。根据断裂力学，岩石的断裂过程可以看作是裂纹扩展的过程，而裂纹扩展需要消耗能量。这些能量主要来自于岩石内部存储的应变能。当裂纹扩展时，岩石的应变能逐渐释放，并以耗散能的形式消散在裂纹扩展的路径上。岩石的应变能和耗散能是岩石力学中的重要概念。通过深入研究岩石的应变能和耗散能特性，我们可以更好地理解岩石在外力作用下的变形和破坏过程，为岩石工程的稳定性分析、灾害预防以及资源开采等提供理论依据。三、实验材料与方法本实验所选用的岩石样本主要来自于中国不同地质背景下的典型岩石类型，包括沉积岩、火成岩和变质岩。样本经过精细加工，以确保其形状、尺寸和质量满足实验要求。我们还采用了高精度的测量设备，如应变计、温度计和压力计，以精确测量实验过程中的各项参数。本实验主要采用了室内岩石力学实验方法，包括单轴压缩实验和三轴压缩实验。在单轴压缩实验中，岩石样本被放置在实验机上，以恒定的速度进行压缩，直至样本破坏。通过记录压缩过程中的应力应变关系，我们可以得到岩石的力学性质，如抗压强度、弹性模量等。在三轴压缩实验中，岩石样本被放置在三轴压力室内，同时受到轴向和径向的压力。通过调整径向压力的大小，我们可以模拟不同的地应力环境，以研究岩石在不同应力条件下的力学行为。我们还采用了声发射技术，实时监测岩石样本在实验过程中的微破裂事件，以揭示岩石破坏的机理。为了研究岩石释放应变能及耗散能的过程，我们采用了能量守恒原理，将实验过程中输入的机械能分解为弹性应变能、耗散能和热能。弹性应变能是指岩石在加载过程中储存的能量，可以通过应力应变曲线积分得到耗散能是指岩石在破坏过程中以塑性变形、微破裂等形式消耗的能量，可以通过声发射信号分析得到热能是指岩石在加载过程中由于摩擦、热传导等产生的热量，可以通过温度计测量得到。实验开始前，首先对岩石样本进行预处理，包括清洁、干燥和称重。将样本放置在实验机上，调整实验参数，开始进行单轴或三轴压缩实验。在实验过程中，通过数据采集系统实时记录应力、应变、声发射信号和温度等数据。实验结束后，对收集到的数据进行处理和分析，以得到岩石的力学性质、能量释放和耗散等方面的信息。实验数据主要包括应力应变曲线、声发射信号和温度变化等。通过对这些数据的分析，我们可以得到以下信息：（2）岩石在加载过程中的能量变化，包括弹性应变能、耗散能和热能的演化规律（3）岩石破坏的机理和过程，如微破裂事件的时空分布、能量释放的速率和规模等。通过对比不同岩石类型和不同应力条件下的实验结果，我们可以深入探究岩石可释放应变能及耗散能的规律，为岩石工程的安全设计和灾害防控提供科学依据。四、实验结果分析在本文的实验研究中，我们主要对岩石在受力过程中的应变能释放及耗散能进行了系统的观察和测量。实验结果揭示了岩石在受到外部压力作用时，其内部应变能的积累和释放机制，以及耗散能的变化规律。我们观察到在岩石受到压力初期，应变能逐渐积累。这一阶段，岩石内部的微观结构开始发生变化，如微裂纹的扩展和新的裂纹的形成。随着压力的增加，岩石内部的应变能逐渐达到一个临界值，此时岩石的力学性质发生明显变化。当岩石内部的应变能达到临界值时，我们观察到明显的应变能释放现象。这一过程伴随着岩石的破裂和碎片的弹出，大量的应变能在短时间内释放出来。此时，我们通过实验设备测量到的能量值达到了一个峰值。在应变能释放的同时，我们也观察到了耗散能的变化。在岩石破裂的瞬间，部分应变能转化为耗散能，以热能、声能等形式释放出来。这些耗散能的存在，对岩石的破裂过程和后续的力学行为产生了显著影响。通过对比分析不同岩石类型在不同压力下的应变能释放和耗散能变化，我们发现岩石的力学性质、内部结构以及外部环境等因素均会对应变能释放和耗散能的变化产生影响。这些发现为我们进一步理解岩石的力学行为提供了有益的参考。本文的实验结果揭示了岩石在受力过程中的应变能释放及耗散能变化的基本规律，为岩石力学领域的研究提供了新的视角和方法。同时，这些实验结果也为岩石工程实践中的安全评估和灾害预防提供了重要的理论依据。五、岩石应变能及耗散能的影响因素研究在岩石力学中，岩石应变能和耗散能的变化受到多种因素的影响。为了深入了解这些因素如何影响岩石的能量行为，我们进行了一系列详细的实验研究。岩石的矿物成分和微观结构对其应变能和耗散能具有显著影响。我们通过对比不同岩石类型（如花岗岩、石灰岩、砂岩等）的样本，发现岩石的硬度和脆性与其应变能储存能力密切相关。通常，硬度较高、脆性较大的岩石具有更高的应变能储存能力。岩石内部的微裂纹和孔隙也会影响其能量行为。这些微结构缺陷不仅降低了岩石的整体强度，还可能导致应变能在局部区域集中，从而增加耗散能的比例。岩石的应力状态和加载条件也是影响应变能和耗散能的重要因素。在实验中，我们通过改变加载速率、加载方式（如单向压缩、三轴压缩等）以及应力路径来模拟不同的应力状态。结果表明，加载速率越快，岩石的应变能积累越快，耗散能的比例也相应增加。不同的加载方式和应力路径会导致岩石内部微裂纹的扩展和演化方式不同，从而影响其能量释放和耗散过程。环境因素如温度和压力也对岩石的应变能和耗散能产生影响。随着温度的升高，岩石内部的热激活过程加强，导致微裂纹的扩展和愈合速度加快，进而影响其能量行为。压力的变化则会影响岩石的体积和密度，从而影响其应变能的储存和耗散。岩石的应变能和耗散能受到多种因素的影响，包括岩石的矿物成分、微观结构、应力状态、加载条件以及环境因素等。为了更好地理解和预测岩石的能量行为，需要综合考虑这些因素的作用。未来的研究可以进一步探讨各种影响因素之间的相互作用及其对岩石能量行为的影响机制。同时，也可以尝试通过数值模拟和理论分析等方法来深入揭示岩石应变能和耗散能的内在规律和机理。这些研究将有助于我们更好地理解和利用岩石资源，同时也为岩石工程的安全性和稳定性提供更有力的支持。六、岩石应变能及耗散能与地震活动的关系地震是地球岩石圈中应变能积累和释放的一种重要表现。在地震发生前，地壳岩石在构造应力的作用下逐渐积累应变能，当应变能积累到一定程度时，岩石发生破裂，应变能迅速释放，产生地震波，对周围岩石造成破坏。这一过程中，岩石不仅释放了应变能，还伴随着耗散能的产生。实验研究表明，岩石的应变能释放与地震的震级和能量释放密切相关。在地震发生前，岩石中的应变能逐渐积累，震级越高，岩石释放的应变能就越大。这种关系可以通过岩石的物理性质、应力状态和应变历史等参数来定量描述。耗散能在地震活动中也起着重要作用。在地震过程中，岩石的破裂和摩擦会产生大量的热能和声能等耗散能。这些耗散能不仅影响了地震波的传播和衰减，还对地震的能量分配和震后岩石的力学性质产生影响。研究岩石的耗散能对于理解地震活动的特征和机制具有重要意义。岩石的应变能及耗散能与地震活动密切相关。通过深入研究岩石的应变能和耗散能特性，可以更好地理解地震的发生机制、预测地震活动以及评估地震对岩石圈的长期影响。这对于地震学、地质学和防灾减灾等领域的研究具有重要的理论和实践价值。七、结论与展望经过一系列详细的实验研究，我们对岩石在应力作用下的应变能释放与耗散能机制有了更深入的理解。本研究通过精确测量和数据分析，证实了岩石在受力过程中，一方面通过弹性变形积累应变能，另一方面在塑性变形和破裂过程中耗散能量。这一发现对于理解岩石力学行为、预测地质灾害以及优化岩石工程设计具有重要意义。我们的实验结果清晰地展示了岩石应变能释放与耗散能的关系，并揭示了不同岩石类型、应力条件以及加载速率对这些能量过程的影响。这些发现不仅丰富了我们对岩石力学行为的认识，也为后续的理论研究和工程应用提供了有价值的参考。尽管本研究取得了一些重要成果，但仍有许多问题值得进一步探讨。例如，岩石的应力应变关系受多种因素影响，包括岩石的组成、结构、温度、压力等。未来研究可以进一步拓展这些因素对岩石能量释放与耗散机制的影响。本研究主要关注了岩石在静态应力作用下的行为，而实际岩石工程中往往涉及动态加载和复杂的应力路径。开展动态加载条件下岩石能量释放与耗散的实验研究也具有重要意义。本研究为岩石力学领域提供了新的实验数据和理论支持，有助于推动该领域的发展。未来研究可以在此基础上进一步拓展和深化，为岩石工程实践提供更为准确和有效的理论指导。参考资料：岩石强度和整体破坏准则是岩石工程中两个重要的概念。岩石强度是指岩石抵抗外力作用的能力，而整体破坏准则则描述了岩石在受到超过其承受能力的外力作用时发生的破坏行为。本文将基于能量耗散与释放原理，对岩石强度和整体破坏准则进行深入探讨。能量耗散与释放原理是指物体在受到外部作用时，其内部会消耗或存储能量，并在外部作用消失后释放能量。在岩石力学领域，能量耗散与释放原理同样适用。当岩石受到外部作用时，其内部会发生应力应变，消耗能量；当外部作用消失后，岩石会释放之前消耗的能量。这种能量的耗散与释放对岩石的强度和破坏行为有着重要影响。岩石强度计算公式通常是根据岩石的基本物理性质，如密度、松散颗粒含量、抗压强度等来进行计算。例如，根据莫尔库仑准则，岩石的强度可由下式给出：σ为剪切强度，σπ为抗剪强度，μ为内摩擦角。这个公式在一定程度上可以反映岩石的强度，但在实际应用中需要考虑具体的情况和限制。例如，对于含有裂隙的岩石，其强度可能无法通过上述公式准确计算。整体破坏准则是描述岩石在受到超过其承受能力的外力作用时发生破坏的行为准则。在实际工程中，整体破坏准则的应用十分重要。例如，在隧道开挖、矿山开采等工程中，对整体破坏准则的准确把握可以有效地预测和控制工程的稳定性和安全性。整体破坏准则的测量方法主要是通过现场监测和室内试验获取岩石的力学参数，如弹性模量、泊松比、抗压强度等，并结合计算机模拟技术进行数值分析和验证。在判断标准上，一般采用应力-位移曲线作为判断依据，当岩石受到的外力超过其承受能力时，曲线会出现明显的转折点，即表示岩石发生整体破坏。在现场实际应用中，整体破坏准则往往需要结合实际情况进行具体分析和判断。例如，在地下开挖工程中，需要综合考虑地质条件、岩石类型、开挖方式等因素，运用整体破坏准则对岩石的稳定性进行评估和预测，以便及时采取相应的工程措施，确保施工安全。本文基于能量耗散与释放原理，对岩石强度和整体破坏准则进行了深入探讨。通过理解能量耗散与释放原理，我们可以更好地理解岩石的强度和破坏行为；掌握岩石强度计算公式，可以更准确地评估岩石的强度；而整体破坏准则的应用则可以为工程实践提供重要的指导和参考。在未来的发展中，随着科学技术水平的不断提高，对于岩石强度和整体破坏准则的研究将会更加深入。我们需要进一步加强基础理论研究，完善岩石强度和整体破坏准则的模型和方法，以提高工程实践的安全性和可靠性。我们也需要密切新技术、新方法在岩石工程领域的应用和发展，如、数值模拟等，以期在未来的岩石工程实践中取得更大的突破和进展。岩石，作为地球上最常见的地质材料，其变形破坏过程对于理解地球的构造运动、地震预测以及工程地质等领域具有重要意义。在这一过程中，能量耗散和能量释放是两个关键的科学问题，它们不仅影响岩石变形破坏的模式，还决定了与之相关的地质灾害的规模和特点。我们来看岩石变形破坏过程中的能量耗散。能量耗散指的是在岩石变形破坏过程中，系统内部通过摩擦、裂纹扩展等方式将机械能转化为热能、声能等其他形式的能量，并最终消失在周围环境中。这一过程在地质学中被称为“软化”现象，它使得岩石在变形过程中逐渐失去强度和硬度，最终导致破坏。研究表明，岩石的矿物成分、结构、温度和湿度等都是影响能量耗散的重要因素。与能量耗散相对的是能量释放。在岩石变形破坏过程中，当岩石内部的应力超过其强度极限时，就会发生断裂，释放出之前储存的弹性势能。这一过程通常伴随着地震波的传播，对地质灾害的发生和发展具有重要影响。能量释放的强度和方向性受到岩石的断裂方式、裂纹扩展路径以及地下水位等因素的影响。为了更好地理解和预测岩石变形破坏的过程，我们需要进一步研究不同种类岩石的能量耗散和能量释放特性。这包括深入研究岩石的微观结构、矿物组成、温度和压力等对能量耗散和能量释放的影响机制，以及建立更为精确的数值模型来模拟这一过程。岩石变形破坏过程中的能量耗散和能量释放是一个复杂而又重要的科学问题。通过深入研究和理解这两个过程，我们可以更好地预测和防范与岩石变形破坏相关的地质灾害，为人类社会的可持续发展提供保障。岩石剪切破坏过程，是地球科学和工程领域中的重要研究课题。在地质灾害、工程稳定性等问题中，岩石的剪切破坏行为都起到了关键作用。为了更好地理解这一过程，科学家们致力于研究其能量耗散和释放的机制。我们需要理解什么是岩石的剪切破坏。简单来说，当岩石受到垂直于其平面的力时，它会在力的作用下发生剪切变形，直至达到其极限承受力，最终发生断裂。这个过程伴随着能量的变化，当岩石从稳定状态过渡到破坏状态时，能量会以不同的形式被释放出来。在岩石剪切破坏过程中，能量的耗散和释放是两个相互关联的过程。能量的耗散是指能量在转换或者传递过程中，无法避免地会有一部分能量转化为无用的热能或者以其他形式的能量损失掉。在岩石剪切破坏过程中，一部分能量会因为摩擦、振动等原因以热能的形式消散。而能量的释放，则是指当岩石达到其极限承受力，发生断裂时，储存的弹性势能会瞬间释放出来。对于能量的耗散和释放的研究，不仅可以帮助我们理解岩石的力学行为，也可以为工程实践提供重要的指导。例如，通过研究能量的耗散和释放，我们可以预测岩石的稳定性，从而在工程设计和建设中采取相应的措施来防止地质灾害的发生。尽管目前对于岩石剪切破坏过程的能量耗散和释放已经有了不少研究成果，但这一领域仍然有许多未知的问题等待我们去探索。例如，如何更准确地测量和计算能量的耗散和释放？如何通过改变环境因素来影响能量的耗散和释放？这些问题不仅需要理论上的深入研究，也需要通过大量的实验来进行验证。岩石剪切破坏过程的能量耗散和释放是一个复杂而有趣的研究领域。它不仅可以帮助我们理解自然界的运行规律，还可以为工程实践提供重要的指导。在未来，随着科学技术的发展，我们有望在这一领域取得更多的突破性成果。耗散结构(dissipativestructure)关于“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一个重要新分支，是由比利时科学家伊里亚·普里戈津(I．Prigogine)于20世纪70年代提出的，由于这一成就，普里戈津获1977年诺贝尔化学奖。差不多是同一时间，西德物理学家赫尔曼·哈肯(H．Haken)提出了从说明研究对象到方法都与耗散结构相似的“协同学”(Syneraetics)，哈肯于1981年获美国富兰克林研究院迈克尔逊奖。现在耗散结构理论和协同学通常被并称为自组织理论。当系统处于远离热力学平衡的状态时，在一定外界条件下，由于系统内部非线性相互作用，可以经过突变而形成新的有序结构——耗散结构。这里的耗散指的是系统维持这种新型结构需要从外界输入能量或物质。耗散结构理论是比利时科学家普里高津在研究非平衡热力学过程中提出的。他获得了1977年的诺贝尔化学奖。20世纪40年代发展起来的不可逆过程热力学，研究的主要是靠近平衡态的问题。按照热力学第二定律，自然界的过程都是向着熵增加的方向进行的，即从有序到无序。而生物进化过程中，有些生命现象正好与此相反，是向熵减少的方向进行。如单细胞到多细胞，是从无序到有序以致高度有序的。再如，西瓜生长时，土地干得很，水不仅不会从西瓜里渗到泥土里去，反而会从泥土里聚集到西瓜里去;又如海带和紫菜能把海水里的碘集中起来，这种现象称为富聚现象。它是直接与平衡态的热力学和统计物理学的规律相反。正是这种现象，促进了非平衡态热力学的发展，而耗散结构的理论也正是在研究非平衡热力学过程中提出的理论，从而解决了上述问题。耗散结构的出现是系统远离平衡的一种非线性效应，因为在离平衡态不远的非平衡线性区域里，不可能发生突变，使系统过渡到新的稳定态而形成耗散结构。生命物质从生物大分子、细胞、组织、器官、个体种群以致整个生物界，都是远离平衡态的耗散结构，都是非孤立的，非平衡的，非线性系统，通过与周围环境交换物质、能量和熵来维持和发展有序结构，即维持生活和生长，并导致进化。耗散结构的理论目前基本上还处于客观描述阶段，但也取得了一定程度的进展。耗散结构的理论可用于流体、激光等系统，还可用于化学反应中的有序结构，生物进化，核反应过程，生态系统中的人口分布，环境保护乃至交通运输，城市发展等问题的研究。比如，城市就是一个耗散结构。它不断靠外界供给材料(各种消费资料和建筑材料)，并不断把废品排出到外界去，也就是通过与外界的物资交流，从外界取得能量和负熵(把熵给予外界)，才得以维持和发展，一旦与外界的交流断绝了，便趋于停滞和死亡，最后变为无序的废墟。远离平衡态的开放系统，通过与外界交换物质和能量，可能在一定的条件下形成一种新的稳定的有序结构。典型的例子是贝纳特流。在一扁平容器内充有一薄层液体，液层的宽度远大于其厚度，从液层底部均匀加热，液层顶部温度亦均匀，底部与顶部存在温度差。当温度差较小时，热量以传导方式通过液层，液层中不会产生任何结构。但当温度差达到某一特定值时，液层中自动出现许多六角形小格子，液体从每个格子的中心涌起、从边缘下沉，形成规则的对流。从上往下可以看到贝纳特流形成的蜂窝状贝纳特花纹图案。这种稳定的有序结构称为耗散结构。类似的有序结构还出现在流体力学、化学反应以及激光等非线性现象中。耗散结构的特征是：①存在于开放系统中，靠与外界的能量和物质交换产生负熵流，使系统熵减少形成有序结构。耗散即强调这种交换。对于孤立系统，由热力学第二定律可知，其熵不减少，不可能从无序产生有序结构。②保持远离平衡态。贝纳特流中液层上下达到一定温度差的条件就是确保远离平衡态。③系统内部存在着非线性相互作用。在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大，达到有序。比利时的普里高津、德国的哈肯、日本的久保-铃木等学派对远离平衡态的耗散结构理论的建立与发展作出重要贡献。但理论尚属初级阶段，有待于发掘新的概念、规律和数学工具。耗散结构理论已用于研究流体、激光等系统、核反应过程，生态系统中的人口分布，环境保护问题，乃至交通运输、城市发展等课题。耗散结构(dissipativestructure)关于“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一个重要新分支，是由比利时科学家伊里亚·普里戈津(I．Prigogine)于20世纪70年代提出的，由于这一成就，普里戈津获1977年诺贝尔化学奖。差不多是同一时间，西德物理学家赫尔曼·哈肯(H．Haken)提出了从研究对象到方法都与耗散结构相似的“协同学”(Syneraetics)，哈肯于1981年获美国富兰克林研究院迈克尔逊奖。现在耗散结构理论和协同学通常被并称为自组织理论。我们首先从几个例子看一下究竟什么是耗散结构。天空中的云通常是不规则分布的，但有时蓝天和白云会形成蓝白相间的条纹，叫做天街，这是一种云的空间结构。容器装有液体，上下底分别同不同温度的热源接触，下底温度较上底高，当两板间温差超过一定阈值时，液体内部就会形成因对流而产生的六角形花纹，这就是著名的贝纳德效应，它是流体的一种空间结构。在贝洛索夫—一萨波金斯基反应中，当用适当的催化剂和指示剂作丙二酸的溴酸氧化反应时，反应介质的颜色会在红色和蓝色之间作周期性变换，这类现象一般称为化学振荡或化学钟，是一种时间结构。在某些条件下这类反应的反应介质还可以出现许多漂亮的花纹·，此即萨波金斯基花纹，它展示的是一种空间结构。在另外一些条件下，萨波金斯基花纹会成同心圆或螺旋状向外扩散，象波一样在介质中传播，这就是所谓化学波，这是一种时间一一空间结构。诸如此类的例子很多，它们都属于耗散结构的范畴。为了从各不相同的耗散结构实例中找出其本质的特征和规律，普里戈津学派研究了非平衡热力学,继承和发展了前人关于物理学中相变的理论，运用了当代非线性微分方程以及随机过程的数学知识，揭示出耗散结构有如下几方面的基本特点。产生耗散结构的系统都包含有大量的系统基元甚至多层次的组分。贝纳德效应中的液体包含大量分子。天空中的云包含有由水分子组成的水蒸气、液滴，水晶和空气，因而是含有多组分多层次的系统。至于贝洛索夫——萨波金斯基反应，其中不仅含有大量分子原子和离子，并且有许多化学成分。不仅如此，在产生耗散结构的系统中，基元间以及不同的组分和层次间还通常存在着错综复杂的相互作用，其中尤为重要的是正反馈机制和非线性作用。正反馈可以看作自我复制自我放大的机制，是“序”产生的重要因素，而非线性可以使系统在热力学分支失稳的基础上重新稳定到耗散结构分支上。产生耗散结构的系统必须是开放系统，必定同外界进行着物质与能量的交换。天空中的云一定会和周围的大气和云进行物质交并和外界进行能量交换。如欲维持贝洛索夫一萨波金斯基反应中的时间、空间，时间——空间结构，则需不断地向进行反应的容器中注入所需的化学物质，这正是系统与外界的物质交换。耗散结构之所以依赖于系统开放，是因为根据热力学第二定律，一个孤立系统的熵要随时间增大直至极大值，此时对应最无序的平衡态，也就是说孤立系统绝对不会出现耗散结构。而开放系统可以使系统从外界引入足够强的负熵流来抵消系统本身的熵产生而使系统总熵减少或不变，从而使系统进入或维持相对有序的状态。产生耗散结构的系统必须处于远离平衡的状态。为了简单说明问题，先举一个有关平衡状态的例子。假定暖水瓶是完全隔热的，里边放入温水，盖上瓶塞，其中的水不再受外界任何影响，最后水就进入一种各处温度均匀，没有宏观流动和翻滚且不再随时间改变的状态，叫平衡态，相应的结构称为平衡结构。根据热力学理论，在这种状态下是不可能出现任何耗散结构的。如果把瓶塞打开，用细棒搅拌瓶中的水，这时系统内发生翻滚流动，脱离平衡态。但若重新盖上瓶塞，经过足够长时间，系统又将不可避免的驰豫到新的平衡态，仍不会有耗散结构。这表明系统虽走出了平衡态，但离开平衡态不够“远”。耗散结构总是通过某种突变过程出现的，某种临界值的存在是伴随耗散结构现象的一大特征，如贝纳德对流，激光，化学振荡均是系统控制参量越过一定阈值时突然出现的。耗散结构的出现是由于远离平衡的系统内部涨落被放大而诱发的。什么是涨落呢?举个例子，密闭容器内的气体，如果不受周围环境的影响或干扰，就会像前面所说的那样达到平衡态，不难想象，这时容器内各处气体的密度是均匀的。然而由于大量气体分子作无规则热运动而且相互碰撞，可能某瞬时容器内某处的密度略微偏大，另一瞬时又略微偏小，即密度在其平均值上下波动。这种现象就叫涨落。如果仅限于讨论处于平衡态气体内部的涨落，意义并不十分大。虽然无规则运动和碰撞的存在将不时产生相对于平衡的偏差。但由于同样的原因这种偏差又不断地平息下去，从而平衡得以维持。在远离平衡时，意义就完全不同了，微小的涨落就能不断被放大使系统离开热力学分支而进入新的更有序的耗散结构分支。涨落之所以能发挥这么大的作用是因为热力学分支的失稳已为这一切准备好了必要的条件，涨落对系统演变所起的是一种触发作用。以上各点概括起来说，所谓耗散结构就是包含多基元多组分多层次的开放系统处于远离平衡态时在涨落的触发下从无序突变为有序而形成的一种时间，空间或时间——空间结构。耗散结构理论的提出对当代哲学思想产生了深远的影响，该理论引起了哲学家们的广