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[[Datei:172197main NASA Flare Gband lg-part.jpg|mini|Beispiel dissipativer Strukturen: [[Granulation (Astronomie)|Granulation]] auf der Sonnenoberfläche. Bilddurchmesser ca. 35.000 km]]
Eine '''dissipative Struktur''' ({{enS|dissipative structure|de=zerstreuende Struktur}}) bezeichnet das Phänomen sich selbstorganisierender, dynamischer, geordneter Strukturen in [[Nichtlineares System|nichtlinearen Systemen]] fern dem [[Thermodynamisches Gleichgewicht|thermodynamischen Gleichgewicht]]. Dissipative Strukturen bilden sich nur in [[Offenes System|offenen]] [[Nichtgleichgewichtssystem]]en, die [[Energie]], [[Materie (Physik)|Materie]] oder beides mit ihrer Umgebung austauschen. Beim Aufbau geordneter Strukturen nimmt die [[Entropie (Thermodynamik)|Entropie]] lokal ab; diese Entropieminderung des Systems muss durch einen entsprechenden Austausch mit der Umgebung ausgeglichen werden.

Die Ausprägung geordneter Strukturen hängt entscheidend von den Systemparametern ab, wobei der Übergang vom ungeordneten zum geordneten Zustand sprunghaft erfolgt. Dissipative Strukturen zeigen eine gewisse Stabilität ('''Nichtgleichgewichtsstabilität''') gegenüber Störungen von außen, zerfallen jedoch, sobald der Austausch mit der Umgebung unterbrochen wird oder allgemein bei größeren Störungen der Systemparameter.

== Geschichte ==
Bereits ab 1950 arbeitete [[Alan Turing]] an einer neuen mathematischen Theorie der [[Morphogenese]], welche die Auswirkungen nichtlinearer chemischer Reaktions- und Diffusionsfunktionen auf spontane Strukturbildungen zeigt.<ref>[http://plato.stanford.edu/entries/turing/#UnfWor ''Alan Turing – Unfinished Work.'']</ref> Die Ergebnisse dieser Arbeit hat er 1952 unter dem Titel ''The chemical basis of morphogenesis'' veröffentlicht.<ref name="turing_morpho">A. M. Turing: ''The chemical basis of morphogenesis.'' Phil. Trans. R. Soc. (London) '''B237''', 37-72 (1952).</ref><ref>Alan Mathison Turing, B. Jack Copeland: ''The essential Turing. seminal writings in computing, logic, philosophy, artificial intelligence, and artificial life, plus the secrets of Enigma.'' Oxford University Press, USA, 2004, ISBN 978-0-19-825080-7.</ref> Diese Arbeit (''[[Turing-Mechanismus]]'') wird als wegweisend für die spätere Entdeckung dissipativer Strukturen angesehen.<ref>Stuart Alan Rice: ''Special volume in memory of Ilya Prigogine.'' In: Advances in Chemical Physics Vol. 135 [[Wiley-Interscience]], 2007, ISBN 978-0-471-68233-2.</ref>

Der Begriff {{" |Dissipative Struktur}} selbst wurde 1967 vom [[Physikalische Chemie|Physikochemiker]] [[Ilya Prigogine]] vorgeschlagen,<ref name="ipgn1967">I. Prigogine and G. Nicolis: ''On symmetry-breaking instabilities in dissipative systems.'' J. Chem. Phys. '''46''', 3542–3550 (1967).</ref><ref>Werner Ebeling: ''Chaos – Ordnung – Information.'' 2. Auflage. Harri Deutsch Verlag, Frankfurt am Main, 1991, ISBN 3-8171-1203-3, S. 22.</ref> der ab den 1940er Jahren an der Entwicklung der Theorie der [[Nichtgleichgewichtssystem|Nichtgleichgewichts]][[thermodynamik]] beteiligt war. Prigogine untersuchte mit [[Grégoire Nicolis]]<ref name="ipgn1967" /> und später mit R. Lefever<ref name="iprl1969">I. Prigogine and R. Lefever: ''On symmetry-breaking instabilities in dissipative systems, II.'' J. Chem. Phys. '''48''', 1695–1700 (1968).</ref> die Kinetik von offenen Systemen, die durch Energie- und Stoffdurchsatz fern vom thermodynamischen Gleichgewicht gehalten wurden. Basierend auf den Arbeiten Alan Turings<ref name="turing_morpho" /> und [[Lars Onsager]]s zeigte er, dass in offenen Systemen, in welchen [[Autokatalyse|autokatalytische]] chemische Reaktionen ablaufen, in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichts zunächst Inhomogenitäten auftreten, die durch [[Diffusion]] oder Strömungsprozesse aufrechterhalten werden können. Bei Erreichen eines Übergangspunkts fern vom Gleichgewicht kann das System [[Symmetriebrechung|Symmetriebrüche]] zeigen, indem es zur Ausbildung einer stationären, geordneten dissipativen Struktur kommt.

Ilya Prigogine erhielt [[1977]] den [[Nobelpreis für Chemie]] ''für seinen Beitrag zur [[Irreversibler Prozess|irreversiblen]] Thermodynamik, insbesondere zur Theorie der „dissipativen Strukturen“''.<ref name="nobel1977">Ilya Prigogine: [http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1977/prigogine-lecture.pdf ''Time, Structure and Fluctuations''] (PDF; 472 kB) Nobel Lecture, 8. Dezember 1977.</ref>

{{Zitat
|Text=We have dealt with the fundamental conceptual problems that arise from the macroscopic and microscopic aspects of the second law of thermodynamics. It is shown that non-equilibrium may become a source of order and that irreversible processes may lead to a new type of dynamic states of matter called „dissipative structures“.
|Sprache=en
|Autor=Ilya Prigogine
|Quelle=Nobelpreisrede 1977.
|ref=<ref name="nobel1977" />}}

== Thermodynamische Beschreibung ==
Beim Aufbau geordneter Strukturen nimmt die [[Entropie (Thermodynamik)|Entropie]] lokal ab, was nur in offenen Systemen möglich (bzw. wahrscheinlich) ist. Die Änderung der Entropie in einem Zeitintervall

:<math>\,dS = dS_i + dS_e</math>

teilt sich in einen inneren (<math>\,dS_i</math>) und äußeren (<math>\,dS_e</math>, Austausch mit der Umgebung) Anteil auf. In abgeschlossenen Systemen findet kein Austausch statt (<math>dS =dS_i</math>) und nach dem zweiten Hauptsatz ist immer <math>dS_i \geq 0</math> (gleich Null im Gleichgewicht), also <math>dS \geq 0</math>. In offenen Systemen dagegen kann Entropie mit der Umgebung ausgetauscht werden, und es können geordnete stationäre (in der Zeit konstante) Strukturen entstehen, vorausgesetzt (es gilt <math>dS =0</math> bei einem stationären Zustand; nach dem [[Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik|zweiten Hauptsatz]] gilt hier ebenso <math>dS_i \geq 0</math>)

:<math>\,dS_e = - dS_i < 0 </math> (negativer Entropie-Fluss).<ref>Nicolis, Prigogine: ''Self Organization and Nonequilibrium Systems.'' Wiley 1977, S. 24.</ref>

== Beispiele ==
Beispiele für dissipative Strukturen sind die Ausbildung von wabenförmigen Zellstrukturen in einer von unten erhitzten Flüssigkeit (''[[Bénard-Experiment|Bénard-Effekt]]'') oder an Phasengrenzen bei Strömungsvorgängen, [[Fließgleichgewicht]]e in der [[Biochemie]], [[Hurrikan]]e, [[chemische Uhr]]en und [[Kerze]]nflammen. Dissipative Strukturen besitzen viele Gemeinsamkeiten mit biologischen [[Organismen]], weshalb Lebewesen auch meist zu diesen gezählt werden.

Die Erdoberfläche inklusive der Atmosphäre bildet ein gleichgewichtsfernes energieumsetzendes ([[Dissipation|dissipatives]]) System, das durch die Sonneneinstrahlung Energie aufnimmt und durch Wärmeabstrahlung in den Weltraum abgibt. Innerhalb dieses Systems kann sich eine Vielzahl dissipativer Strukturen bilden, wie zum Beispiel Wolken, Flüsse oder Wirbelstürme.

Auch eine Volkswirtschaft bildet ein dissipatives System, bei dem die Erhöhung des Komplexitätsgrades den Durchsatz von Energie sowie die [[Entropieproduktion]] steigert. Der sogenannte technische Fortschritt im Sinne des [[Solow-Residuum|Solow-Residuums]] kann somit durch eine Komplexitätserhöhung zur Steigerung der Leistungsfähigkeit erklärt werden, Primärenergie in nützliche Arbeit für den volkswirtschaftlichen Produktionsprozess umzuwandeln.<ref>[[Reiner Kümmel]] (2011). The Second Law of Economics: Energy, Entropy, and the Origins of Wealth. Springer Science & Business Media.</ref> Dissipative Strukturen sind hierbei Kapitalgüter (Maschinen) und Organisationsformen (Unternehmen).

== Weblinks ==
* [https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/prigogine-lecture.pdf Prigogines Nobelrede (englisch; PDF-Datei; 461 kB)]
* Helmut Dunkhase: ''[http://www.helmutdunkhase.de/prigogi.html Dialog mit der Natur: Zum 80. Geburtstag von Ilya Prigogine,]'' Berlin, Juli 1997
* H. Joachim Schlichting: [http://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/didaktik_physik/publikationen/dissipation_struktur.pdf ''Von der Dissipation zur dissipativen Struktur'' (PDF; 1,2 MB)], Praxis der Naturwissenschaften, 49/2 (2000), S. 12–16.

== Literatur ==
* Stuart Alan Rice: ''Special volume in memory of Ilya Prigogine.'' In: Advances in Chemical Physics Vol. 135 [[Wiley-Interscience]], 2007, ISBN 978-0-471-68233-2.
* [[Ilya Prigogine]], [[Isabelle Stengers]]: ''Dialog mit der Natur. Neue Wege naturwissenschaftlichen Denkens'' 1981, ISBN 3-492-02532-3.

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4130307-6}}

[[Kategorie:Nichtlineare Dynamik]]
[[Kategorie:Nichtgleichgewichtsthermodynamik]]
[[Kategorie:Biophysik]]

Dissipative Struktur - Versionsgeschichte

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