Spontana evolucija sistema iz ne-ravnotežnog stanja u stanje ravnoteže je prirodni zakon vođen inherentnom razlikom potencijala, koji teži ka stanju maksimalne entropije kroz nepovratan proces. Njegova jezgra je preraspodjela energije i materije dok se ne postigne stabilno stanje u kojem makroskopska mirnost opstaje dok se mikroskopska dinamika nastavlja.
Ovaj evolucijski proces je široko rasprostranjen u fizičkim, hemijskim, pa čak i biološkim sistemima, kao što su hlađenje toplom vodom, difuzija mastila i toplotna provodljivost metala, a svi su vođeni osnovnim ograničenjem drugog zakona termodinamike.
Osnovni mehanizam evolucijskog procesa:
Razlika potencijala pokreće promjenu. Osnovni razlog zašto sistem odstupa od ravnoteže je postojanje neke vrste "razlike potencijala", kao što je razlika u temperaturi (provođenje toplote), razlika pritiska (proširenje zapremine), razlika koncentracije (difuzija) ili razlika hemijskog potencijala (pokretačka sila reakcije). Ove potencijalne razlike čine pokretačku silu unutar sistema ili između sistema i njegovog okruženja, podstičući makroskopske tokove energije ili materije.
Nepovratni proces relaksacije U odsustvu spoljne intervencije, sistem postepeno eliminiše ove razlike kroz unutrašnje interakcije (kao što su molekularni sudari i razmena energije). Ovaj proces se zove opuštanje. Obično je nepovratan i praćen povećanjem entropije, u skladu sa drugim zakonom termodinamike.
Postizanje dinamičke ravnoteže: makroskopska mirnost, mikroskopska aktivnost Kada nestanu svi mjerljivi makroskopski gradijenti (ujednačena temperatura, konstantan pritisak, konstantna koncentracija), sistem ulazi u termodinamičku ravnotežu. U ovom trenutku, makroskopski nema neto protoka, ali mikroskopske čestice su još uvijek u stalnom kretanju-ovo je dinamička ravnoteža (također se naziva termodinamička ravnoteža).
Tipičan primjer puta evolucije
1. Toplotna provodljivost: temperatura teži ujednačenosti
Početno stanje: Jedan kraj metalne šipke je u kontaktu sa visoko-izvorom toplote visoke temperature, a drugi kraj je u kontaktu sa nisko{1}}izvorom toplote, stvarajući temperaturni gradijent.
Proces evolucije: Toplina se kontinuirano prenosi duž štapa od kraja sa visoko-krajem na niskoj-kraju temperature, praćen povećanjem entropije.
Konačno stanje: Ako se izvori toplote na oba kraja uklone i sistem izoluje, temperatura čitavog štapa na kraju postaje ujednačena, dostižući termičku ravnotežu.
2. Difuzija: koncentracija teži ujednačenosti
Početno stanje: Kap tinte se ispusti u mirnu vodu, što rezultira izuzetno visokom lokalnom koncentracijom.
Proces evolucije: Molekuli mastila se postepeno raspršuju zbog Brownovog kretanja, a poremećaj sistema se povećava.
Konačno stanje: Potpuno pomiješana, ujednačena boja, maksimalna entropija i difuzija prestaje.
3. Hemijska reakcija: teži hemijskoj ravnoteži
Početno stanje: visoka koncentracija reaktanata, koncentracija proizvoda nula.
Proces evolucije: Brzina reakcije naprijed je veća od brzine reverzne reakcije, a sistem se razvija prema smjeru proizvoda.
Konačno stanje: Brzine reakcije naprijed i nazad su jednake, koncentracije svake komponente se više ne mijenjaju i postiže se kemijska ravnoteža (vrsta termodinamičke ravnoteže).
Posebni slučajevi i granični uslovi
|
Tip slučaja |
Postizanje ravnoteže |
Objašnjenje |
|
Izolovani sistem |
Neizbježno teži ravnoteži |
Nema vanjskih smetnji, maksimalna entropija na kraju |
|
Zatvoreni sistem |
Može doći do ravnoteže |
Omogućava razmjenu energije, ali bez obzira ulazi ili izlazi |
|
Otvorite sistem |
Može održavati ne-ravnotežno stabilno stanje |
Kao što je živi organizam koji kontinuirano unosi energiju, formirajući disipativne strukture (kao što je ćelijski metabolizam) |
|
Metastabilno stanje |
Površinski stabilan, ali zapravo ne{0}}ravnotežan |
Kao što je prehlađena voda koja se ne smrzava na -5 stepeni, ali kolabira u pravo ravnotežno stanje uz male poremećaje |
Mikroskopska perspektiva: Evolucija iz perspektive ponašanja čestica
Iz perspektive statističke fizike, suština sistema koji teži ravnoteži je da sistem teži kombinaciji mikroskopskih stanja sa najvećom vjerovatnoćom pojave. Stanja niske-entropije (uređena) odgovaraju vrlo malom broju mikroskopskih konfiguracija, dok visoko-entropijska (poremećena) stanja imaju ogroman broj mogućnosti. Stoga je "vjerovatnije" da će sistem evoluirati u stanje visoke-entropije-to nije izvjesno, već statistički neodoljiv rezultat.
Ovo takođe objašnjava zašto obrnuti procesi (kao što je automatsko udruživanje mastila) nisu teoretski apsolutno zabranjeni, ali su praktično nemogući u stvarnosti.
