比利时物理化学家I.普里戈金在长期研究非平衡态热力学的成果基础上于1969年提出。结构一词泛指那些包含大量结构单元的复杂系统在时间、空间和功能上呈现的有序行为，耗散结构一词强调能量耗散在建立有序结构中的积极作用。

自然界存在着形形色色的耗散结构，下面是一些最为著名的例子。

水平容器中存放一层液体，保持表面自由，从容器底部均匀缓慢加热。开始液体没有任何宏观流动，加热到一定程度，液体中突然出现图1中所示的规则的多边形斑图。图中每个小六角形中心暗处液体向上浮，边缘亮处液体向下沉，两者之间较明亮处液体做水平运动。这种斑图称作伯纳德对流斑图。如果液体上表面被限制，不再是自由表面，流体在控制参数阈值以上呈现的斑图是柱状卷形，称作瑞利对流斑图，图2为方形容器中出现的瑞利对流斑图。

图1 伯纳德对流斑图（俯视图）

图2 方形容器中出现的瑞利斑图（侧视示意图）
其中d为流体层厚度，λ为流体卷波图

在两个同心圆柱中充以液体，令外柱静止，内柱转动。转速较小时，液体只有均匀水平运动，没有径向流动。随着转速增大，到达某一阈值后，圆柱间液体突然分成许多层，每层内部出现径向流动，相邻两层一层向外流，一层向内流，交替组成整个液柱，运动保持圆柱对称且不随时间变化，称为泰勒涡流（图3）。进一步加大转速，到达下一阈值后，流动斑图突然改变。此时每层出现上下波动，而且整个图像随时间呈周期性变化，称作波状泰勒涡流（图4）。随着转速的继续增加，流动还会在更大的阈值上出现其他类型斑图，直至达到混沌。

图3 泰勒涡流

图4 波状泰勒涡流

呈现各种时-空有序现象的化学反应系统中，以苏联化学家B.P.别鲁索夫和A.M.扎勃京斯基首先研究的柠檬酸或丙二酸被溴酸钾氧化的反应最具代表性。在适当条件下，该反应可呈现出某些组分浓度随时间周期变化。

1952年英国数学家A.M.图灵提出一个包括化学反应和扩散两种过程的简化动力学模型，试图说明生物形态发生过程。图灵从数学角度证明，在反应扩散系统中，稳定的均匀态会在一定条件下失稳并自发产生空间定态图纹——图灵斑图。1991年，中国物理学家欧阳颀及合作者在凝胶反应器中观察到氯化物-亚碘酸盐-丙二酸反应（CIMA反应）中产生的定态斑图（图5、图6）。当系统控制参数（化学浓度、温度）达到阈值时，斑图在均匀背景上自发涌现。临界点上下斑图的产生和消失都是突然发生，没有滞后现象。

图5 条形斑图

图6 六角形斑图

以上各种斑图形成的现象，都是在非平衡态的开放系统中控制参数达到临界点时自发出现的。这种从无序状态自发产生有序结构的过程和现象，称作自组织过程或自组织现象。20世纪60年代，普里戈金将这些有序结构概括为耗散结构，并对之进行了理论说明。他将耗散结构的基本特征归纳为：①耗散结构发生在开放系统中，它要靠外界环境不断供给能量或物质才能维持。②耗散结构只在系统控制参数到达阈值后，即远离热力学平衡的情况下才能发生。所谓远离，指的是超出不可逆过程热力学昂萨格线性关系成立的范围，进入非线性区。③耗散结构具有时-空结构，对称性低于系统达到阈值前的状态。④耗散结构是稳定的，它一旦产生就具有相当的稳定性，不被任何小扰动破坏。

普里戈金提出耗散理论的基础是开放系统不可逆过程热力学和非线性动力系统的分岔理论。对于开放系统，伴随物质和能量的交换，系统和环境之间必定有熵的交换。一个系统总熵的变化取决于系统内部不可逆过程（如热传导、扩散、化学反应等）引起的熵的产生和系统与外部环境交换过程引起的熵流。在定态时有：

…（1）

由于系统内部的不可逆过程：

…（2）

故非平衡定态单位时间产生的熵必须由外部环境提供的负熵加以补偿。如果由于系统内外能量、物质交换所补偿的负熵流越大，则体系非平衡定态离开其原来的平衡态越远，且定态的熵比初态的熵越小，就出现了系统远离平衡态时形成有序结构的可能。当系统离开平衡态不够远时，也就是说非平衡态处于平衡态附近，系统中的广义流（如热流、扩散流等）和广义力（如温度梯度、浓度梯度等）之间存在线性关系时，可证明系统内部的不可逆过程总是使熵产生率减小，直至系统达到熵产生率极小的定态。所以，在非平衡线性区域中，不可能发生突变，使系统过渡到新的定态而呈现耗散结构。只有在开放系统对平衡态的偏离足够强的情况下，无序的非平衡定态有可能失稳，围绕这一状态的一些涨落随时间增大，导致有序态-耗散结构的出现。但不可逆过程热力学理论无法阐明耗散结构的形成机制和涨落特性，弄清这些问题需要借助非平衡统计力学，这方面的理论正在发展中。对于耗散结构的研究，主要是根据系统的具体情况，写出其相应非线性动力学方程组，利用非线性方程的分岔理论，分析在控制参数临界值附近系统失稳时表现出的时空对称性破缺，以及由不同对称性破缺所规定的新的时空结构的自组织形成、选择和稳定性。这些研究在流体系统、反应扩散系统、非线性光学系统和生物、生态系统中取得不少具体结果，并成为非线性科学研究的一个活跃分支——斑图形成和斑图动力学的主要内容。耗散结构理论除在以上自然科学领域得到应用外，其思想也被若干社会科学领域诸如人口学、经济学等学科借鉴。

耗散结构理论特别强调非平衡系统的开放性和系统内部的非线性反馈两点，它在一定程度上澄清了自然界特别是生命系统中出现的从无序到有序的变化与热力学第二定律矛盾的传统观念，开启了从物理科学通向生命科学的一个窗口。为此，普里戈金获1977年诺贝尔化学奖。