Järjestelmän spontaani evoluutio ei--tasapainotilasta tasapainotilaan on luontaisen potentiaalieron ohjaama luonnonlaki, joka pyrkii kohti maksimientropiaa peruuttamattoman prosessin kautta. Sen ydin on energian ja aineen uudelleenjako, kunnes saavutetaan vakaa tila, jossa makroskooppinen hiljaisuus jatkuu mikroskooppisen dynamiikan jatkuessa.
Tämä evoluutioprosessi on laajalle levinnyt fysikaalisissa, kemiallisissa ja jopa biologisissa järjestelmissä, kuten kuumavesijäähdytyksessä, musteen diffuusiossa ja metallin lämmönjohtamisessa, joita kaikkia säätelee termodynamiikan toisen lain perusrajoitus.
Evoluutioprosessin ydinmekanismi:
Mahdolliset erot ajavat muutosta. Perussyy, miksi järjestelmä poikkeaa tasapainosta, on jonkinlainen "potentiaaliero", kuten lämpötilaero (lämmönjohtavuus), paine-ero (tilavuuden laajeneminen), pitoisuusero (diffuusio) tai kemiallinen potentiaaliero (reaktion käyttövoima). Nämä potentiaalierot muodostavat liikkeellepaneva voiman järjestelmässä tai järjestelmän ja sen ympäristön välillä, mikä saa aikaan makroskooppisia energia- tai ainevirtoja.
Peruuttamaton rentoutumisprosessi Ulkoisen väliintulon puuttuessa järjestelmä poistaa nämä erot asteittain sisäisten vuorovaikutusten (kuten molekyylitörmäysten ja energianvaihdon) kautta. Tätä prosessia kutsutaan rentoutukseksi. Se on yleensä peruuttamaton ja siihen liittyy entropian kasvu termodynamiikan toisen pääsäännön mukaisesti.
Dynaamisen tasapainon saavuttaminen: makroskooppinen hiljaisuus, mikroskooppinen aktiivisuus Kun kaikki mitattavissa olevat makroskooppiset gradientit katoavat (tasainen lämpötila, tasainen paine, vakiopitoisuus), järjestelmä siirtyy termodynaamiseen tasapainoon. Tässä vaiheessa makroskooppisesti nettovirtausta ei ole, mutta mikroskooppiset hiukkaset ovat edelleen jatkuvassa liikkeessä-tämä on dynaaminen tasapaino (kutsutaan myös termodynaamiseksi tasapainoksi).
Esimerkki tyypillisestä evoluutiopolusta
1. Lämmönjohtavuus: Lämpötila pyrkii tasaiseen
Alkutila: Metallitangon toinen pää on kosketuksissa korkean-lämpöisen lämmönlähteen kanssa ja toinen pää matalan lämpötilan-lämpölähteen kanssa, mikä luo lämpötilagradientin.
Kehitysprosessi: Lämpöä siirretään jatkuvasti sauvaa pitkin korkean-lämpötilojen päästä matalan-lämpötilojen päähän, minkä seurauksena entropia kasvaa.
Lopputila: Jos lämmönlähteet molemmista päistä poistetaan ja järjestelmä eristetään, koko sauvan lämpötila muuttuu lopulta tasaiseksi ja saavuttaa lämpötasapainon.
2. Diffuusio: Keskittyminen pyrkii yhtenäisyyteen
Alkutila: Pisara mustetta pudotetaan pysäytysveteen, mikä johtaa erittäin korkeaan paikalliseen pitoisuuteen.
Evoluutioprosessi: Mustemolekyylit hajaantuvat vähitellen Brownin liikkeen vuoksi, ja järjestelmän häiriö lisääntyy.
Lopputila: Täysin sekoitettu, tasainen väri, maksimaalinen entropia ja diffuusio lakkaa.
3. Kemiallinen reaktio: taipumus kemialliseen tasapainoon
Alkutila: Korkea reagenssipitoisuus, nolla tuotepitoisuus.
Evoluutioprosessi: Eteenpäin suuntautuva reaktionopeus on suurempi kuin käänteinen reaktionopeus, ja järjestelmä kehittyy tuotteen suuntaan.
Lopputila: Eteenpäin- ja käänteisreaktionopeudet ovat samat, kummankaan komponentin pitoisuudet eivät enää muutu ja kemiallinen tasapaino saavutetaan (eräänlainen termodynaaminen tasapaino).
Erityistapaukset ja rajaehdot
|
Asian tyyppi |
Tasapainon saavuttaminen |
Selitys |
|
Eristetty järjestelmä |
Se pyrkii väistämättä kohti tasapainoa |
Ei ulkoisia häiriöitä, maksimi entropia lopussa |
|
Suljettu järjestelmä |
Voi saavuttaa tasapainon |
Mahdollistaa energian vaihdon, mutta aine ei pääse sisään tai poistu |
|
Avoin järjestelmä |
Pystyy ylläpitämään ei--tasapainoa |
Kuten elävä organismi, joka syöttää jatkuvasti energiaa ja muodostaa hajottavia rakenteita (kuten solujen aineenvaihdunta) |
|
Metastable tila |
Pinta vakaa, mutta itse asiassa epätasapainoinen |
Kuten alijäähdytetty vesi, joka ei jäädy -5 asteessa, vaan romahtaa todelliseen tasapainotilaan pienin häiriöin |
Mikroskooppinen näkökulma: Evoluutio hiukkasten käyttäytymisen näkökulmasta
Tilastollisen fysiikan näkökulmasta tasapainoon pyrkivän järjestelmän olemus on, että järjestelmä pyrkii mikroskooppisten tilojen yhdistelmään, jolla on suurin esiintymistodennäköisyys. Alhaisen-entropian (järjestetty) tilat vastaavat hyvin pientä määrää mikroskooppisia konfiguraatioita, kun taas korkean-entropian (järjestyneet) tilat tarjoavat valtavan määrän mahdollisuuksia. Siksi järjestelmä kehittyy "todennäköisemmin" korkean-entropian tilaan-tämä ei ole varma, vaan pikemminkin tilastollisesti ylivoimainen tulos.
Tämä selittää myös sen, miksi käänteiset prosessit (kuten musteen automaattinen yhdistäminen) eivät ole teoriassa ehdottoman kiellettyjä, mutta ne ovat käytännössä mahdottomia.
