穩態 (系統)
| 上級分類 | 狀態、過程  |
|---|---|
| 特性 | 不變 |
| 相對概念 | 暫態 |
系統科學中，系統或是過程的穩態（steady state）是指定其行為的變數（稱為狀態變數）不隨時間而變化[1]。在連續時間系統中，穩態表示系統的性質p對時間的偏導數為零，而且會持續為零：
若是離散時間系統，穩態表示系統每一個性質的差分為零，而且會持續為零：
穩態的概念在許多領域都有用到，特別是熱力學、經濟及工程學。若系統在穩態，則最近觀測到的系統狀態也會持續下去[1]。在隨機系統中，各個狀態的概率也會維持不變。
對於許多系統，系統啟動後需要一段時間才會進入穩態。進入穩態前的狀態稱為暫態或啟動階段[1]。例如流過管子的流體會呈現穩態，這表示有持續固定的流體通過，而正在裝水的水槽則是暫態，因為水的體積仍隨時間而變化。
系統常常是以漸近的方式進入穩態。若系統無法進入穩態，反而發散，這稱為不檼定的系統。
化學上，穩態是比動態平衡範圍更廣的概念，動態平衡是指二個或是多個可逆反應同時發生，速率相等，而穩態的化學系統不一定要處於動態平衡，因其中一些反應可能是不可逆的。換言之，動態平衡只是穩態的其中一種體現。
應用
[編輯]經濟學
[編輯]穩態經濟是指一個國家（或城市、區域或全世界）經濟在一個穩定的規模，可以有穩定的人口以及穩定的消費，而且是在其環境承載力的範圍內。在羅伯特·索洛和特雷弗·斯旺的經濟增長模型中，穩態出現在物質資本的總投資等於總折舊，經濟處在經濟均衡的狀態下。
電子學
[編輯]電子學中的穩態是指電路的一種平衡狀態，其中暫態的影響已可以省略。
在電路中，如何決定穩態是很重要的主題，因為許多電子系統的重要規格都是以穩態下的特性有關。週期性的穩態解是小信號建模的先決條件。因此穩態分析就是設計過程中不可少的一部份。
有時也會將恆包絡的振盪視為是穩態，此情形下，振盪不會消失，而是以固定的振幅繼續振盪。
化學工程
[編輯]在化學、熱力學及化學工程的穩態是指系統的狀態變數在系統的過程運行當中，仍然維持定值。若整個系統都在穩態（也就是所有的狀態變數都是常數），在系統中一定有某種「流」通萵過系統的各部份（參考質量平衡）。其中一個最簡單的例子是浴缸的水龍頭開着，而放水的栓塞也沒有塞住。在一段時間後，進入浴缸的水和離開浴缸的水一樣多，水面高度（其狀態變數是水量）穩定，系統進入穩態。而當時的水量和浴缸的大小，放水孔的大小以及水龍頭的進水量有關。因為浴缸的水也可能會滿出來，因此也可能是進水量等於放水口出水量加上水滿溢出來的量，因此達到穩態。
穩態流動過程的條件是在不同時間下，所有的條件都仍要維持定值。這段時間內待測的質量或能量不能有累積的情形。在系統每一部份的質量流率都維持定值[2]。熱力學的性質可能會隨位置而不同，不過每一點的熱力學性質都不隨時間而變化[3]。
電機工程
[編輯]正弦穩態分析是在分析交流電路時的一種方法，可以用類似分析直流電路的方式分析[4]。
電機機械或是電力系統維持在其原來狀態的能力稱為穩態穩定性 [5]。
系統的穩定性是指在出現擾動之後，系統恢復到其穩態的能力。電力是由同步發電機所產生，也會和系統的其他部份保持同步。發電機和電網同步時，表示兩者的頻率、電壓及相序都相同。因此可以定義電力系統的穩定性是系統可以保持同步，且回到穩態的能力。一般電力系統穩定性可分為三種：穩態、暫態及動態穩定性。
穩態穩定性（steady state stability）是系統在小幅、漸進的變化下的穩定性。此條件下，一般會限制電壓在其標準值附近，也會限制二個電網之間的相位差不要太大，並且檢查電力設備及傳輸線是否有過載。一般在電力潮流研究中會進行相關確認。
暫態穩定性（transient stability）是系統在大幅擾動下的穩定性。在同步交流發電機大幅擾動後，機械的功率角（負載角）會因為軸的突然加速而有大幅變化。暫態穩定性的目標是確認在擾動消失後，負載角是否會回到穩態。
系統在連續性小擾動下的穩定性即為動態穩定性（dynamic Stability），也稱為小信號穩定性（small-signal stability）。小擾動是因為負載及發電機的隨機性波動所造成。在互聯的電力系統中，這些隨機性波動可能會讓轉子角度持續增加，因而造成災難性的失效。
機械工程
[編輯]若機械系統上施加了週期性的力，一般來說系統會有些暫態特性，之後就會進入穩態。像振動系統（例如鐘擺）就有此特性，不過也可能會出現一些穩定或半穩定的動態系統。也有一些特定的狀態，會在一開始就進入穩態。
光纖
[編輯]生理學
[編輯]體內穩態（Homeostasis，源自古希臘語 ὅμοιος, hómoios, 類似 and στάσις, stásis, 站着）也稱為體內平衡，是生物調節其內部的環境，維持在穩定、不變條件下的特性。體內平衡一般是指生物，此概念源自克洛德·貝爾納在1865年提出的內環境概念。體內平衡需要許多動態平衡調整及控制的機制才能達到。
生物化學
[編輯]在生化反應中，穩態是在一定的時間範圍內，酶與底物形成複合物的速率與產物生成的速率相等的狀態。
生態學
[編輯]生態學中的穩態是生態系統在面對變化着的外部條件下，能保持穩定的內部狀態。
醫學
[編輯]穩態醫學是一門研究生物體分子、細胞、器官及全身系統的科學，是以維持穩態平衡為立足點繼而維護人體健康、預防和診療疾病的綜合性學科[7]。與傳統的「對症治療」相比，穩態醫學是更針對疾病根源，注重對穩態破壞的「對因治療」及動態重建各系統平衡為重點的新體系，以新視角認識健康和診療疾病。"穩態醫學"是中國科學院王松靈院士提出的醫學概念[8]。
穩態醫學主要包括三個方面內容：
首先是了解機體穩態及其調節機制在維持健康中的作用。穩態是生物體內部環境的平衡狀態，對於健康至關重要，穩態調節機制包括各種生理過程和反饋機制，能夠維持機體內部穩定的狀態；
其次是分析疾病過程中穩態失衡的原因及干預因素。疾病的發生往往與機體內部穩態的失衡有關，通過深入研究穩態失衡的原因，可以了解疾病的發展機制，找到干預因素；
最後是綜合前兩項獲得的信息，通過合理干預恢復機體穩態，達到維持機體健康和防治疾病的目的。基於對穩態的認識和疾病機制的分析，可以制定相應的干預策略，恢復穩態，促進健康的恢復和維持，防治疾病的發生和發展。
穩態醫學針對疾病的本質，着重於"對因治療"以及動態重建各系統平衡，構建以新視角認識健康和診療疾病為重點的新體系。穩態醫學致力於深入了解疾病產生的根源，並通過恢復和維持穩態來解決疾病問題。這一新的觀念和方法突破了傳統醫學模式，強調了整體平衡和健康恢復的重要性。理想的穩態醫學治療模式應該綜合考慮血管生物力學、細胞信號轉導、免疫微環境等方面的穩態調節機制。在這個模式中，首先要識別並阻斷疾病發展過程中的關鍵節點，以防止疾病進一步惡化；其次，治療方法應在不破壞體內平衡過程的前提下進行，以免引起其他不良影響；最終目標是通過恢復穩態來改善機體的狀態，促進健康的恢復和維持。這種綜合調節的治療模式可以更好地針對疾病的多方面因素，從而提高治療效果和患者的整體健康水平[9]。
相關條目
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ 1.0 1.1 1.2 Gagniuc, Paul A. Markov Chains: From Theory to Implementation and Experimentation. USA, NJ: John Wiley & Sons. 2017: 46–59. ISBN 978-1-119-38755-8.
- ^ Smith, J. M.; Van Ness, H. C. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics 2nd. McGraw-Hill. 1959: 34. ISBN 0-070-49486-X.
- ^ Zemansky, M. W.; Van Ness, H. C. Basic Engineering Thermodynamics. McGraw-Hill. 1966: 244. ISBN 0-070-72805-4.
- ^ 存档副本. [2019-03-19]. （原始內容存檔於2017-01-16）.
- ^ Power System Analysis. [2019-03-19]. （原始內容存檔於2013-11-17）.
- ^
本條目引用的公有領域材料來自聯邦總務署的文檔《Federal Standard 1037C》 （MIL-STD-188提供支持）。
- ^ Wang, Songlin; Qin, Lizheng. Homeostatic medicine: a strategy for exploring health and disease. Current Medicine. 2022-09-26, 1 (1). ISSN 2731-0868. PMC 9510546
. PMID 36189427. doi:10.1007/s44194-022-00016-9 （英語）.
- ^ 王松灵：稳态医学是疾病诊疗新策略. 醫學科學報. 2022-11-11 [2024-07-13]. （原始內容存檔於2024-02-06）.
- ^ Zhou, Jian; Liu, Huan; Hu, Lei; Kagami, Hideaki; Wang, Songlin. Nitrate and body homeostasis. Medicine Plus. 2024-03, 1 (1). ISSN 2950-3477. doi:10.1016/j.medp.2023.100003.
