Спонтанната еволюция на система от не{0}}равновесно състояние към равновесно състояние е естествен закон, управляван от присъща потенциална разлика, клоняща към състояние на максимална ентропия чрез необратим процес. Неговото ядро е преразпределението на енергията и материята до достигане на стабилно състояние, при което макроскопичната неподвижност продължава, докато микроскопичната динамика продължава.
Този еволюционен процес е широко разпространен във физически, химични и дори биологични системи, като охлаждане с гореща вода, дифузия на мастило и метална топлопроводимост, всички управлявани от фундаменталното ограничение на втория закон на термодинамиката.
Основният механизъм на еволюционния процес:
Потенциалната разлика води до промяна. Основната причина една система да се отклонява от равновесието е наличието на някакъв вид "потенциална разлика", като температурна разлика (топлопроводимост), разлика в налягането (обемно разширение), разлика в концентрация (дифузия) или химична потенциална разлика (движеща сила на реакцията). Тези потенциални разлики представляват движещата сила в системата или между системата и нейната среда, предизвиквайки макроскопични потоци от енергия или материя.
Необратим процес на релаксация При липса на външна намеса системата постепенно елиминира тези различия чрез вътрешни взаимодействия (като молекулярни сблъсъци и обмен на енергия). Този процес се нарича релаксация. Обикновено е необратимо и се придружава от нарастване на ентропията, съответстващо на втория закон на термодинамиката.
Достигане на динамично равновесие: макроскопична неподвижност, микроскопична активност Когато всички измерими макроскопични градиенти изчезнат (равномерна температура, постоянно налягане, постоянна концентрация), системата влиза в термодинамично равновесие. В този момент макроскопски няма нетен поток, но микроскопичните частици все още са в постоянно движение-това е динамично равновесие (наричано още термодинамично равновесие).
Пример за типичен еволюционен път
1. Топлинна проводимост: Температурата има тенденция към равномерност
Първоначално състояние: Единият край на метален прът е в контакт с източник на топлина с висока-температура, а другият край е в контакт с източник на топлина с ниска-температура, създавайки температурен градиент.
Процес на еволюция: Топлината непрекъснато се пренася по протежение на пръта от края с висока-температура към края с-ниска температура, придружено от увеличаване на ентропията.
Крайно състояние: Ако източниците на топлина в двата края се премахнат и системата се изолира, температурата на целия прът в крайна сметка става равномерна, достигайки топлинно равновесие.
2. Дифузия: Концентрацията има тенденция към равномерност
Първоначално състояние: капка мастило се капва в неподвижна вода, което води до изключително висока локална концентрация.
Процес на еволюция: Молекулите на мастилото постепенно се разпръскват поради Брауново движение и разстройството на системата се увеличава.
Крайно състояние: Напълно смесен, еднороден цвят, максимална ентропия и дифузията спира.
3. Химическа реакция: клони към химическо равновесие
Първоначално състояние: Висока концентрация на реагента, нулева концентрация на продукта.
Процес на еволюция: Скоростта на реакцията напред е по-голяма от скоростта на обратната реакция и системата се развива към посоката на продукта.
Крайно състояние: Скоростите на правата и обратната реакция са равни, концентрациите на всеки компонент вече не се променят и се достига химично равновесие (вид термодинамично равновесие).
Специални случаи и гранични условия
|
Тип случай |
Постигане на равновесие |
Обяснение |
|
Изолирана система |
Неизбежно се стреми към равновесие |
Без външни смущения, максимална ентропия в края |
|
Затворена система |
Може да достигне равновесие |
Позволява обмен на енергия, но без значение дали влиза или излиза |
|
Отворена система |
Може да поддържа не-равновесно стабилно състояние |
Като например жив организъм, който непрекъснато вкарва енергия, образувайки дисипативни структури (като клетъчния метаболизъм) |
|
Метастабилно състояние |
Повърхностно стабилна, но всъщност не-равновесна |
Като например преохладена вода, която не замръзва при -5 градуса, но се срива до истинско равновесно състояние с леки смущения |
Микроскопска перспектива: Еволюция от гледна точка на поведението на частиците
От гледна точка на статистическата физика, същността на система, стремяща се към равновесие, е, че системата се стреми към комбинация от микроскопични състояния с най-висока вероятност за поява. Ниско-ентропийните (подредени) състояния съответстват на много малък брой микроскопични конфигурации, докато високо-ентропийните (неподредени) състояния имат огромен брой възможности. Следователно е „по-вероятно“ системата да еволюира във високо-ентропийно състояние-това не е сигурно, а по-скоро статистически поразителен резултат.
Това също обяснява защо обратните процеси (като автоматично обединяване на мастило) не са теоретично абсолютно забранени, но са практически невъзможни в действителност.
