Спонтанна еволюція системи з не-рівноважного стану в рівноважний – це природний закон, що керується внутрішньою різницею потенціалів, що прагне до стану максимальної ентропії через необоротний процес. Його суттю є перерозподіл енергії та матерії до тих пір, поки не буде досягнуто стабільний стан, де зберігається макроскопічна нерухомість, а мікроскопічна динаміка продовжується.
Цей еволюційний процес широко поширений у фізичних, хімічних і навіть біологічних системах, таких як охолодження гарячою водою, дифузія чорнила та теплопровідність металу, які керуються основним обмеженням другого закону термодинаміки.
Основний механізм еволюційного процесу:
Різниця потенціалів викликає зміни. Основною причиною відхилення системи від рівноваги є наявність певної «різниці потенціалів», такої як різниця температур (теплопровідність), різниця тиску (розширення об’єму), різниця концентрацій (дифузія) або різниця хімічних потенціалів (рушійна сила реакції). Ці різниці потенціалів є рушійною силою всередині системи або між системою та її середовищем, спонукаючи до макроскопічних потоків енергії або матерії.
Необоротний процес релаксації За відсутності зовнішнього втручання система поступово усуває ці відмінності через внутрішні взаємодії (такі як молекулярні зіткнення та обмін енергією). Цей процес називається релаксацією. Зазвичай воно необоротне і супроводжується збільшенням ентропії, що відповідає другому закону термодинаміки.
Досягнення динамічної рівноваги: макроскопічний спокій, мікроскопічна активність Коли всі вимірні макроскопічні градієнти зникають (рівномірна температура, постійний тиск, постійна концентрація), система переходить у термодинамічну рівновагу. У цей момент макроскопічно немає чистого потоку, але мікроскопічні частинки все ще перебувають у постійному русі-це динамічна рівновага (також називається термодинамічною рівновагою).
Приклад типового шляху еволюції
1. Теплопровідність: температура має тенденцію до рівномірності
Початковий стан: один кінець металевого стрижня контактує з високотемпературним джерелом-температури, а інший кінець контактує з низькотемпературним джерелом-температури, створюючи температурний градієнт.
Процес еволюції: тепло безперервно передається вздовж стрижня від кінця з високою-температурою до кінця-низької температури, що супроводжується збільшенням ентропії.
Остаточний стан: якщо джерела тепла на обох кінцях видаляються і система ізольується, температура всього стрижня зрештою стає рівномірною, досягаючи теплової рівноваги.
2. Дифузія: концентрація має тенденцію до рівномірності
Початковий стан: краплю чорнила капають у нерухому воду, що призводить до надзвичайно високої локальної концентрації.
Процес еволюції: молекули чорнила поступово розсіюються через броунівський рух, і безлад у системі зростає.
Кінцевий стан: повністю змішаний, однорідний колір, максимальна ентропія та припинена дифузія.
3. Хімічна реакція: Прагне до хімічної рівноваги
Початковий стан: висока концентрація реагенту, нульова концентрація продукту.
Процес еволюції: швидкість прямої реакції більша, ніж швидкість зворотної реакції, і система розвивається в напрямку продукту.
Кінцевий стан: швидкості прямої та зворотної реакції рівні, концентрації кожного компонента більше не змінюються, і досягається хімічна рівновага (тип термодинамічної рівноваги).
Особливі випадки та граничні умови
|
Тип корпусу |
Досягнення рівноваги |
Пояснення |
|
Ізольована система |
Неминуче прагне до рівноваги |
Ніяких зовнішніх перешкод, максимальна ентропія в кінці |
|
Закрита система |
Може досягти рівноваги |
Дозволяє обмінюватися енергією, але незалежно від того, входить чи виходить |
|
Відкрита система |
Може підтримувати-нерівноважний стабільний стан |
Наприклад, живий організм постійно вводить енергію, утворюючи дисипативні структури (наприклад, клітинний метаболізм) |
|
Метастабільний стан |
Поверхня стабільна, але насправді не{0}}рівноважна |
Наприклад, переохолоджена вода, яка не замерзає при -5 градусах, а з невеликими збуреннями переходить у справжній рівноважний стан. |
Мікроскопічна перспектива: еволюція з точки зору поведінки частинок
З точки зору статистичної фізики, суть системи, яка прагне до рівноваги, полягає в тому, що система прагне до комбінації мікроскопічних станів з найвищою ймовірністю виникнення. Низько{1}}ентропійні (впорядковані) стани відповідають дуже невеликій кількості мікроскопічних конфігурацій, тоді як високо-ентропійні (невпорядковані) стани мають величезну кількість можливостей. Отже, система з більшою ймовірністю еволюціонує до -стану високої ентропії-це не впевненість, а скоріше статистично переважний результат.
Це також пояснює, чому зворотні процеси (такі як автоматичне об’єднання чорнила) не теоретично абсолютно заборонені, але практично неможливі в реальності.
