Spontani razvoj sistema iz ne-ravnovesnega stanja v ravnovesno stanje je naravni zakon, ki ga poganja inherentna potencialna razlika, ki teži k stanju največje entropije skozi nepovraten proces. Njegovo jedro je prerazporeditev energije in snovi, dokler ni doseženo stabilno stanje, kjer vztraja makroskopska tišina, medtem ko se mikroskopska dinamika nadaljuje.
Ta evolucijski proces je zelo razširjen v fizikalnih, kemičnih in celo bioloških sistemih, kot so hlajenje z vročo vodo, difuzija črnila in toplotna prevodnost kovin, ki jih ureja temeljna omejitev drugega zakona termodinamike.
Glavni mehanizem evolucijskega procesa:
Razlika potencialov poganja spremembe. Temeljni razlog, da sistem odstopa od ravnotežja, je obstoj nekakšne "potencialne razlike", kot je razlika v temperaturi (toplotna prevodnost), razlika v tlaku (raztezanje prostornine), razlika v koncentraciji (difuzija) ali kemijska razlika v potencialu (gonilna sila reakcije). Te potencialne razlike predstavljajo gonilno silo znotraj sistema ali med sistemom in njegovim okoljem ter spodbujajo makroskopske tokove energije ali snovi.
Ireverzibilni proces sprostitve V odsotnosti zunanje intervencije sistem postopoma odpravi te razlike z notranjimi interakcijami (kot so molekularni trki in izmenjava energije). Ta proces se imenuje sprostitev. Običajno je ireverzibilen in ga spremlja povečanje entropije, kar je v skladu z drugim zakonom termodinamike.
Doseganje dinamičnega ravnovesja: makroskopsko mirovanje, mikroskopska aktivnost Ko izginejo vsi merljivi makroskopski gradienti (enakomerna temperatura, konstanten tlak, konstantna koncentracija), sistem vstopi v termodinamično ravnovesje. Na tej točki makroskopsko ni neto toka, vendar so mikroskopski delci še vedno v stalnem gibanju-to je dinamično ravnovesje (imenovano tudi termodinamično ravnovesje).
Tipičen primer evolucijske poti
1. Toplotna prevodnost: Temperatura teži k enakomernosti
Začetno stanje: en konec kovinske palice je v stiku z visoko-temperaturnim virom toplote, drugi konec pa je v stiku z nizko-temperaturnim virom toplote, kar ustvarja temperaturni gradient.
Razvojni proces: Toplota se nenehno prenaša vzdolž palice od konca z visoko-temperaturo do konca z-nizko temperaturo, kar spremlja povečanje entropije.
Končno stanje: Če odstranimo vire toplote na obeh koncih in sistem izoliramo, postane temperatura celotne palice sčasoma enakomerna in doseže toplotno ravnovesje.
2. Difuzija: koncentracija teži k enakomernosti
Začetno stanje: kapljica črnila se spusti v mirno vodo, kar povzroči izjemno visoko lokalno koncentracijo.
Evolucijski proces: Molekule črnila se postopoma razpršijo zaradi Brownovega gibanja in neurejenost sistema se poveča.
Končno stanje: Popolnoma premešano, enotna barva, največja entropija in difuzija preneha.
3. Kemijska reakcija: teži k kemijskemu ravnovesju
Začetno stanje: visoka koncentracija reaktanta, nična koncentracija produkta.
Razvojni proces: Hitrost reakcije naprej je večja od hitrosti povratne reakcije in sistem se razvija v smeri izdelka.
Končno stanje: Hitrost neposredne in povratne reakcije sta enaki, koncentracije vsake komponente se ne spreminjajo več in doseženo je kemijsko ravnovesje (vrsta termodinamičnega ravnovesja).
Posebni primeri in robni pogoji
|
Vrsta ohišja |
Doseganje ravnotežja |
Pojasnilo |
|
Izolirani sistem |
Neizogibno teži k ravnovesju |
Brez zunanjih motenj, največja entropija na koncu |
|
Zaprt sistem |
Lahko doseže ravnovesje |
Omogoča izmenjavo energije, vendar ne glede na vstop ali izstop |
|
Odprti sistem |
Lahko vzdržuje ne{0}}ravnovesno stabilno stanje |
Kot na primer živ organizem, ki nenehno vnaša energijo, tvori disipativne strukture (kot je celični metabolizem) |
|
Metastabilno stanje |
Površinsko stabilen, a dejansko ne{0}}ravnovesen |
Kot na primer prehlajena voda, ki ne zmrzne pri -5 stopinjah, ampak se z rahlimi motnjami zruši v pravo ravnotežno stanje |
Mikroskopska perspektiva: evolucija z vidika vedenja delcev
Z vidika statistične fizike je bistvo sistema, ki teži k ravnotežju, ta, da sistem teži k kombinaciji mikroskopskih stanj z največjo verjetnostjo pojava. Nizko-entropijska (urejena) stanja ustrezajo zelo majhnemu številu mikroskopskih konfiguracij, medtem ko imajo visoko-entropijska (neurejena) stanja ogromno možnosti. Zato je bolj verjetno, da se bo sistem razvil v visoko-entropijsko stanje-to ni gotovost, temveč statistično prepričljiv rezultat.
To tudi pojasnjuje, zakaj obratni procesi (kot je samodejno združevanje črnila) teoretično niso absolutno prepovedani, vendar so v resnici praktično nemogoči.
