Spontánní vývoj systému z -rovnovážného stavu do rovnovážného stavu je přirozeným zákonem řízeným inherentním rozdílem potenciálu, který nevratným procesem směřuje ke stavu maximální entropie. Jeho jádrem je redistribuce energie a hmoty, dokud není dosaženo stabilního stavu, kdy přetrvává makroskopický klid, zatímco mikroskopická dynamika pokračuje.
Tento evoluční proces je rozšířený ve fyzikálních, chemických a dokonce i biologických systémech, jako je chlazení horkou vodou, difúze inkoustu a vedení tepla kovů, přičemž všechny se řídí základním omezením druhého zákona termodynamiky.
Základní mechanismus evolučního procesu:
Potenciální rozdíl způsobuje změnu. Základním důvodem, proč se systém odchyluje od rovnováhy, je existence určitého druhu „potenciálního rozdílu“, jako je teplotní rozdíl (vedení tepla), tlakový rozdíl (objemová expanze), rozdíl koncentrací (difúze) nebo rozdíl chemických potenciálů (hnací síla reakce). Tyto potenciální rozdíly představují hnací sílu uvnitř systému nebo mezi systémem a jeho prostředím, což vyvolává makroskopické toky energie nebo hmoty.
Nevratný relaxační proces Při absenci vnějšího zásahu systém postupně odstraňuje tyto rozdíly prostřednictvím vnitřních interakcí (jako jsou molekulární srážky a výměna energie). Tento proces se nazývá relaxace. Obvykle je nevratná a doprovázená zvýšením entropie, což odpovídá druhému zákonu termodynamiky.
Dosažení dynamické rovnováhy: Makroskopický klid, mikroskopická aktivita Když všechny měřitelné makroskopické gradienty zmizí (stejnoměrná teplota, konzistentní tlak, konstantní koncentrace), systém vstoupí do termodynamické rovnováhy. V tomto okamžiku neexistuje makroskopický čistý tok, ale mikroskopické částice jsou stále v neustálém pohybu-toto je dynamická rovnováha (nazývaná také termodynamická rovnováha).
Příklad typické evoluční cesty
1. Vedení tepla: Teplota má tendenci k stejnoměrnosti
Počáteční stav: Jeden konec kovové tyče je v kontaktu s vysokoteplotním -zdrojem tepla a druhý konec je v kontaktu s nízkoteplotním -zdrojem tepla, což vytváří teplotní gradient.
Proces evoluce: Teplo je nepřetržitě přenášeno podél tyče od konce s vysokou-teplotou ke konci s nízkou teplotou-, doprovázené zvýšením entropie.
Konečný stav: Pokud jsou zdroje tepla na obou koncích odstraněny a systém je izolován, teplota celé tyče se nakonec stane rovnoměrnou a dosáhne tepelné rovnováhy.
2. Difúze: Koncentrace má tendenci k stejnoměrnosti
Počáteční stav: Kapka inkoustu kápne do stojaté vody, což má za následek extrémně vysokou místní koncentraci.
Evoluční proces: Molekuly inkoustu se postupně rozptylují v důsledku Brownova pohybu a neuspořádanost systému se zvyšuje.
Konečný stav: Úplně promíchaný, jednotná barva, maximální entropie a difúze ustává.
3. Chemická reakce: Směřuje k chemické rovnováze
Počáteční stav: Vysoká koncentrace reaktantu, nulová koncentrace produktu.
Evoluční proces: Dopředná reakční rychlost je větší než zpětná reakční rychlost a systém se vyvíjí směrem k produktu.
Konečný stav: Rychlost reakce vpřed a vzad jsou stejné, koncentrace každé složky se již nemění a je dosaženo chemické rovnováhy (typ termodynamické rovnováhy).
Zvláštní případy a okrajové podmínky
|
Typ pouzdra |
Dosažení rovnováhy |
Vysvětlení |
|
Izolovaný systém |
Nevyhnutelně směřuje k rovnováze |
Žádné vnější poruchy, maximální entropie na konci |
|
Uzavřený systém |
Může dosáhnout rovnováhy |
Umožňuje výměnu energie, ale bez ohledu na to, zda hmota vstupuje nebo odchází |
|
Otevřený systém |
Dokáže udržovat nerovnovážný ustálený stav |
Jako živý organismus nepřetržitě vkládá energii a tvoří disipativní struktury (jako je buněčný metabolismus) |
|
Metastabilní stav |
Povrchově stabilní, ale ve skutečnosti-nerovnovážné |
Například podchlazená voda, která nezamrzá při -5 stupních, ale zhroutí se do skutečného rovnovážného stavu s mírnými poruchami |
Mikroskopická perspektiva: Evoluce z pohledu chování částic
Z pohledu statistické fyziky je podstatou systému směřujícího k rovnováze to, že systém směřuje ke kombinaci mikroskopických stavů s nejvyšší pravděpodobností výskytu. Stavy s nízkou-entropií (uspořádané) odpovídají velmi malému počtu mikroskopických konfigurací, zatímco stavy s vysokou-entropií (neuspořádané) mají obrovské množství možností. Proto je „pravděpodobnější“ že se systém vyvine do stavu s vysokou-entropií-toto není jistota, ale spíše statisticky ohromující výsledek.
To také vysvětluje, proč zpětné procesy (jako je automatické sdružování inkoustu) nejsou teoreticky absolutně zakázány, ale ve skutečnosti jsou prakticky nemožné.
