Süsteemi spontaanne areng mitte-tasakaaluseisundist tasakaaluolekusse on loomulik seaduspärasus, mida juhib loomupärane potentsiaalide erinevus, mis pöördub pöördumatu protsessi kaudu maksimaalse entroopia oleku poole. Selle tuumaks on energia ja aine ümberjaotumine, kuni saavutatakse stabiilne olek, kus makroskoopiline vaikus püsib, samal ajal kui mikroskoopiline dünaamika jätkub.
See evolutsiooniline protsess on laialt levinud füüsikalistes, keemilistes ja isegi bioloogilistes süsteemides, nagu kuuma veega jahutamine, tindi difusioon ja metallide soojusjuhtivus, mida kõike reguleerib termodünaamika teise seaduse põhiline piirang.
Evolutsiooniprotsessi põhimehhanism:
Potentsiaalne erinevus põhjustab muutusi. Põhiline põhjus, miks süsteem tasakaalust kõrvale kaldub, on mingisuguse "potentsiaali erinevuse" olemasolu, nagu temperatuurierinevus (soojusjuhtivus), rõhuerinevus (mahu laienemine), kontsentratsiooni erinevus (difusioon) või keemilise potentsiaali erinevus (reaktsiooni liikumapanev jõud). Need potentsiaalsed erinevused on liikumapanev jõud süsteemi sees või süsteemi ja selle keskkonna vahel, kutsudes esile makroskoopilisi energia- või ainevooge.
Pöördumatu lõdvestumisprotsess Välise sekkumise puudumisel kõrvaldab süsteem need erinevused järk-järgult sisemiste interaktsioonide kaudu (nagu molekulide kokkupõrked ja energiavahetus). Seda protsessi nimetatakse lõõgastumiseks. Tavaliselt on see pöördumatu ja sellega kaasneb entroopia suurenemine, mis vastab termodünaamika teisele seadusele.
Dünaamilise tasakaalu saavutamine: makroskoopiline vaikus, mikroskoopiline aktiivsus Kui kõik mõõdetavad makroskoopilised gradiendid kaovad (ühtlane temperatuur, ühtlane rõhk, konstantne kontsentratsioon), siseneb süsteem termodünaamilisse tasakaalu. Sel hetkel makroskoopiliselt puhasvool puudub, kuid mikroskoopilised osakesed on endiselt pidevas liikumises -see on dünaamiline tasakaal (nimetatakse ka termodünaamiliseks tasakaaluks).
Tüüpilise evolutsioonitee näide
1. Soojusjuhtivus: temperatuur kipub ühtlustuma
Algseisund: metallvarda üks ots on kontaktis kõrge-temperatuuriga soojusallikaga ja teine ots madalatemperatuurilise-soojusallikaga, luues temperatuurigradiendi.
Evolutsiooniprotsess: Soojus kandub pidevalt mööda varda kõrge{0}}temperatuuri otsast madala-temperatuuri otsa, millega kaasneb entroopia suurenemine.
Lõppseisund: kui mõlemast otsast soojusallikad eemaldatakse ja süsteem isoleeritakse, muutub kogu varda temperatuur lõpuks ühtlaseks, saavutades termilise tasakaalu.
2. Difusioon: Kontsentratsioon kipub ühtlustuma
Algseisund: tilk tinti tilgutatakse seisvasse vette, mille tulemuseks on äärmiselt kõrge lokaalne kontsentratsioon.
Evolutsiooniprotsess: tindimolekulid hajuvad järk-järgult Browni liikumise tõttu ja süsteemi häired süvenevad.
Lõppseisund: täielikult segunenud, ühtlane värv, maksimaalne entroopia ja difusioon lakkab.
3. Keemiline reaktsioon: kaldub keemilisele tasakaalule
Algseisund: kõrge reagendi kontsentratsioon, toote kontsentratsioon null.
Evolutsiooniprotsess: edasisuunaline reaktsioonikiirus on suurem kui pöördreaktsiooni kiirus ja süsteem areneb toote suunas.
Lõppseisund: edasi- ja tagasireaktsiooni kiirused on võrdsed, kummagi komponendi kontsentratsioonid enam ei muutu ja saavutatakse keemiline tasakaal (teatud tüüpi termodünaamiline tasakaal).
Erijuhtumid ja piirtingimused
|
Juhtumi tüüp |
Tasakaalu saavutamine |
Selgitus |
|
Isoleeritud süsteem |
Paratamatult kaldub tasakaalu poole |
Ei mingeid väliseid häireid, maksimaalne entroopia lõpus |
|
Suletud süsteem |
Võib saavutada tasakaalu |
Võimaldab energiavahetust, kuid aine ei sisene ega lahku |
|
Avatud süsteem |
Suudab säilitada mitte-tasakaalu püsioleku |
Näiteks elusorganism, kes sisestab pidevalt energiat, moodustades hajutavaid struktuure (näiteks rakkude metabolism) |
|
Metastabiilne olek |
Pind on stabiilne, kuid tegelikult pole{0}}tasakaalu |
Näiteks ülejahutatud vesi, mis ei külmu -5 kraadi juures, vaid vajub väikeste häiretega kokku tõelisse tasakaaluolekusse |
Mikroskoopiline vaatenurk: evolutsioon osakeste käitumise vaatenurgast
Statistilise füüsika vaatenurgast on tasakaalu poole kalduva süsteemi olemus selles, et süsteem kaldub suurima esinemise tõenäosusega mikroskoopiliste olekute kombinatsiooni poole. Madala-entroopiaga (korrastatud) olekud vastavad väga väikesele arvule mikroskoopilistele konfiguratsioonidele, samas kui kõrge-entroopiaga (korrastatud) olekutel on suur hulk võimalusi. Seetõttu areneb süsteem "tõenäolisemalt" kõrge-entroopia olekusse-, see ei ole kindel, vaid pigem statistiliselt ülekaalukas tulemus.
See seletab ka seda, miks pöördprotsessid (nt tindi automaatne koondamine) ei ole teoreetiliselt absoluutselt keelatud, kuid tegelikkuses praktiliselt võimatud.
