A rendszer spontán evolúciója egy nem--egyensúlyi állapotból egyensúlyi állapotba egy természeti törvény, amelyet a benne rejlő potenciálkülönbség vezérel, és egy visszafordíthatatlan folyamaton keresztül a maximális entrópia állapota felé tart. Lényege az energia és az anyag újraelosztása egy olyan stabil állapot eléréséig, amelyben a makroszkopikus nyugalom megmarad, miközben a mikroszkopikus dinamika folytatódik.
Ez az evolúciós folyamat széles körben elterjedt a fizikai, kémiai, sőt biológiai rendszerekben is, mint például a forró vizes hűtés, a tinta diffúziója és a fémek hővezetése, melyeket a termodinamika második főtételének alapvető korlátja szabályoz.
Az evolúciós folyamat fő mechanizmusa:
A lehetséges különbségek megváltoztatják. Az alapvető ok, amiért egy rendszer eltér az egyensúlytól, valamiféle „potenciálkülönbség”, például hőmérséklet-különbség (hővezetés), nyomáskülönbség (térfogattágulás), koncentrációkülönbség (diffúzió) vagy kémiai potenciálkülönbség (a reakció hajtóereje). Ezek a potenciálkülönbségek jelentik a hajtóerőt a rendszeren belül vagy a rendszer és környezete között, makroszkopikus energia- vagy anyagáramlást indítva el.
Irreverzibilis relaxációs folyamat Külső beavatkozás hiányában a rendszer fokozatosan megszünteti ezeket a különbségeket belső kölcsönhatások révén (például molekuláris ütközések és energiacsere). Ezt a folyamatot relaxációnak nevezik. Általában visszafordíthatatlan, és az entrópia növekedése kíséri, ami megfelel a termodinamika második főtételének.
Dinamikus egyensúly elérése: makroszkopikus nyugalom, mikroszkopikus aktivitás Amikor minden mérhető makroszkopikus gradiens eltűnik (egyenletes hőmérséklet, állandó nyomás, állandó koncentráció), a rendszer termodinamikai egyensúlyba kerül. Ezen a ponton makroszkóposan nincs nettó áramlás, de a mikroszkopikus részecskék még mindig állandó mozgásban vannak{1}}ez egy dinamikus egyensúly (termodinamikai egyensúlynak is nevezik).
Tipikus evolúciós út példa
1. Hővezetés: A hőmérséklet hajlamos az egyenletességre
Kiindulási állapot: A fémrúd egyik vége egy magas{0}}hőmérsékletű hőforrással, a másik vége pedig egy alacsony-hőmérsékletű hőforrással érintkezik, ami hőmérsékleti gradienst hoz létre.
Fejlődési folyamat: A hő folyamatosan átadódik a rúd mentén a magas-hőmérsékletű végről az alacsony-hőmérsékletű végre, az entrópia növekedésével együtt.
Végső állapot: Ha a hőforrásokat mindkét végén eltávolítják, és a rendszert leválasztják, a teljes rúd hőmérséklete végül egyenletessé válik, és eléri a termikus egyensúlyt.
2. Diffúzió: A koncentráció hajlamos az egyenletességre
Kezdeti állapot: Egy csepp tinta cseppálló vízbe kerül, ami rendkívül magas helyi koncentrációt eredményez.
Evolúciós folyamat: A tinta molekulák fokozatosan szétszóródnak a Brown-mozgás következtében, és a rendszer rendezetlensége nő.
Végső állapot: Teljesen kevert, egységes szín, maximális entrópia és diffúzió megszűnik.
3. Kémiai reakció: Hajlamos a kémiai egyensúlyra
Kiindulási állapot: Magas reagenskoncentráció, nulla termékkoncentráció.
Evolúciós folyamat: Az előrehaladó reakciósebesség nagyobb, mint a fordított reakciósebesség, és a rendszer a termék iránya felé fejlődik.
Végső állapot: Az előre és fordított reakciósebesség egyenlő, az egyes komponensek koncentrációja már nem változik, és létrejön a kémiai egyensúly (a termodinamikai egyensúly egy fajtája).
Különleges esetek és határfeltételek
|
Ügy típusa |
Egyensúly elérése |
Magyarázat |
|
Elszigetelt rendszer |
Elkerülhetetlenül az egyensúly felé hajlik |
Nincs külső zavar, maximális entrópia a végén |
|
Zárt rendszer |
Elérheti az egyensúlyt |
Lehetővé teszi az energiacserét, de nem jut be vagy távozik az anyag |
|
Nyitott rendszer |
Nem{0}}egyensúlyi egyensúlyi állapotot képes fenntartani |
Ilyen például az élő szervezet, amely folyamatosan energiát visz be, disszipatív struktúrákat hozva létre (például a sejtanyagcserében). |
|
Metastabil állapot |
Felületi stabil, de valójában nem{0}}egyensúlyozott |
Ilyen például a túlhűtött víz, amely -5 fokon nem fagy meg, hanem enyhe zavarokkal valódi egyensúlyi állapotba omlik |
Mikroszkópikus perspektíva: Evolúció a részecskék viselkedésének szemszögéből
Statisztikai fizika szempontból az egyensúly felé hajló rendszer lényege, hogy a rendszer a legnagyobb előfordulási valószínűségű mikroszkopikus állapotok kombinációja felé hajlik. Az alacsony-entrópiájú (rendezett) állapotok nagyon kis számú mikroszkopikus konfigurációnak felelnek meg, míg a magas-entrópiájú (rendetlen) állapotok számos lehetőséget rejtenek magukban. Ezért a rendszer "nagyobb valószínűséggel" fejlődik magas-entrópiájú állapotba,-ez nem bizonyosság, hanem statisztikailag elsöprő eredmény.
Ez azt is megmagyarázza, hogy a fordított folyamatok (például az automatikus tintakészletezés) miért nem teljesen tilosak elméletileg, de a valóságban gyakorlatilag lehetetlenek.
