Spontánny vývoj systému z -rovnovážneho stavu do rovnovážneho stavu je prirodzený zákon poháňaný inherentným potenciálnym rozdielom smerujúcim k stavu maximálnej entropie prostredníctvom nezvratného procesu. Jeho jadrom je redistribúcia energie a hmoty, kým sa nedosiahne stabilný stav, kde pretrváva makroskopická nehybnosť, zatiaľ čo mikroskopická dynamika pokračuje.
Tento evolučný proces je rozšírený vo fyzikálnych, chemických a dokonca aj biologických systémoch, ako je chladenie horúcou vodou, difúzia atramentu a vedenie tepla kovov, pričom všetky sa riadia základným obmedzením druhého zákona termodynamiky.
Hlavný mechanizmus evolučného procesu:
Potenciálny rozdiel vedie k zmene. Základným dôvodom, prečo sa systém odchyľuje od rovnováhy, je existencia nejakého druhu „potenciálneho rozdielu“, ako je teplotný rozdiel (vedenie tepla), tlakový rozdiel (objemová expanzia), koncentračný rozdiel (difúzia) alebo rozdiel chemického potenciálu (hnacia sila reakcie). Tieto potenciálne rozdiely predstavujú hnaciu silu v rámci systému alebo medzi systémom a jeho prostredím, čo podnecuje makroskopické toky energie alebo hmoty.
Nevratný relaxačný proces Pri absencii vonkajšieho zásahu systém postupne odstraňuje tieto rozdiely prostredníctvom vnútorných interakcií (ako sú molekulárne zrážky a výmena energie). Tento proces sa nazýva relaxácia. Zvyčajne je ireverzibilná a sprevádzaná zvýšením entropie v súlade s druhým termodynamickým zákonom.
Dosiahnutie dynamickej rovnováhy: makroskopická nehybnosť, mikroskopická aktivita Keď všetky merateľné makroskopické gradienty zmiznú (rovnomerná teplota, stály tlak, konštantná koncentrácia), systém vstúpi do termodynamickej rovnováhy. V tomto bode neexistuje makroskopický čistý tok, ale mikroskopické častice sú stále v neustálom pohybe-ide o dynamickú rovnováhu (nazývanú aj termodynamická rovnováha).
Príklad typickej evolučnej cesty
1. Vedenie tepla: Teplota má tendenciu k rovnomernosti
Počiatočný stav: Jeden koniec kovovej tyče je v kontakte so -zdrojom tepla s vysokou teplotou a druhý koniec je v kontakte so zdrojom tepla s nízkou teplotou-, čo vytvára teplotný gradient.
Proces evolúcie: Teplo sa nepretržite prenáša pozdĺž tyče z konca s vysokou-teplotou na koniec s nízkou teplotou-, sprevádzaný nárastom entropie.
Konečný stav: Ak sú zdroje tepla na oboch koncoch odstránené a systém je izolovaný, teplota celej tyče sa nakoniec vyrovná a dosiahne tepelnú rovnováhu.
2. Difúzia: Koncentrácia má tendenciu k rovnomernosti
Počiatočný stav: Kvapka atramentu spadne do stojatej vody, čo vedie k extrémne vysokej lokálnej koncentrácii.
Evolučný proces: Molekuly atramentu sa postupne rozptýlia v dôsledku Brownovho pohybu a porucha systému sa zvyšuje.
Konečný stav: Úplne premiešaný, jednotná farba, maximálna entropia a prestane difúzia.
3. Chemická reakcia: smeruje k chemickej rovnováhe
Počiatočný stav: Vysoká koncentrácia reaktantu, nulová koncentrácia produktu.
Vývojový proces: Dopredná reakčná rýchlosť je väčšia ako spätná reakčná rýchlosť a systém sa vyvíja smerom k produktu.
Konečný stav: Rýchlosť reakcie vpred a vzad sú rovnaké, koncentrácie každej zložky sa už nemenia a je dosiahnutá chemická rovnováha (typ termodynamickej rovnováhy).
Špeciálne prípady a okrajové podmienky
|
Typ prípadu |
Dosiahnutie rovnováhy |
Vysvetlenie |
|
Izolovaný systém |
Nevyhnutne smeruje k rovnováhe |
Žiadne vonkajšie poruchy, maximálna entropia na konci |
|
Uzavretý systém |
Môže dosiahnuť rovnováhu |
Umožňuje výmenu energie, ale bez ohľadu na to, čo vstupuje alebo odchádza |
|
Otvorený systém |
Dokáže udržiavať nerovnovážny stabilný stav |
Ako živý organizmus nepretržite dodáva energiu a vytvára disipatívne štruktúry (ako je bunkový metabolizmus) |
|
Metastabilný stav |
Povrchovo stabilné, ale v skutočnosti nie{0}}rovnovážne |
Napríklad podchladená voda, ktorá nezamrzne pri -5 stupňoch, ale spadne do skutočne rovnovážneho stavu s miernymi poruchami. |
Mikroskopická perspektíva: Evolúcia z pohľadu správania častíc
Z pohľadu štatistickej fyziky je podstatou systému smerujúceho k rovnováhe to, že systém smeruje ku kombinácii mikroskopických stavov s najvyššou pravdepodobnosťou výskytu. Stavy s nízkou-entropiou (usporiadané) zodpovedajú veľmi malému počtu mikroskopických konfigurácií, zatiaľ čo stavy s vysokou-entropiou (neusporiadané) majú obrovské množstvo možností. Preto je „pravdepodobnejšia“ evolúcia systému do stavu vysokej-entropie-toto nie je istota, ale skôr štatisticky ohromujúci výsledok.
To tiež vysvetľuje, prečo reverzné procesy (napríklad automatické združovanie atramentu) nie sú teoreticky absolútne zakázané, ale v skutočnosti sú prakticky nemožné.
