Spontaniška sistemos evoliucija iš ne-pusiausvyros būsenos į pusiausvyros būseną yra natūralus dėsnis, kurį lemia įgimtas potencialų skirtumas, kuris per negrįžtamą procesą linksta į maksimalios entropijos būseną. Jo esmė yra energijos ir materijos perskirstymas, kol pasiekiama stabili būsena, kai išlieka makroskopinė ramybė, o mikroskopinė dinamika tęsiasi.
Šis evoliucinis procesas yra plačiai paplitęs fizinėse, cheminėse ir net biologinėse sistemose, tokiose kaip karšto vandens aušinimas, rašalo difuzija ir metalo šilumos laidumas, kuriuos valdo pagrindinis antrojo termodinamikos dėsnio apribojimas.
Pagrindinis evoliucijos proceso mechanizmas:
Potencialus skirtumas skatina pokyčius. Pagrindinė priežastis, dėl kurios sistema nukrypsta nuo pusiausvyros, yra tam tikros rūšies „potencialų skirtumas“, pvz., temperatūros skirtumas (šilumos laidumas), slėgio skirtumas (tūrio plėtimasis), koncentracijos skirtumas (difuzija) arba cheminių potencialų skirtumas (reakcijos varomoji jėga). Šie potencialių skirtumai yra varomoji jėga sistemoje arba tarp sistemos ir jos aplinkos, skatinanti makroskopinius energijos ar medžiagos srautus.
Negrįžtamas atsipalaidavimo procesas Nesant išorinio įsikišimo, sistema palaipsniui pašalina šiuos skirtumus per vidines sąveikas (pvz., molekulinius susidūrimus ir energijos mainus). Šis procesas vadinamas atsipalaidavimu. Paprastai jis yra negrįžtamas ir kartu su entropijos padidėjimu, atitinkančiu antrąjį termodinamikos dėsnį.
Dinaminės pusiausvyros pasiekimas: makroskopinis tylumas, mikroskopinis aktyvumas Kai išnyksta visi išmatuojami makroskopiniai gradientai (vienoda temperatūra, pastovus slėgis, pastovi koncentracija), sistema patenka į termodinaminę pusiausvyrą. Šiuo metu makroskopiškai grynojo srauto nėra, bet mikroskopinės dalelės vis dar nuolat juda{1}}tai dinaminė pusiausvyra (taip pat vadinama termodinamine pusiausvyra).
Tipinio evoliucijos kelio pavyzdys
1. Šilumos laidumas: temperatūra linkusi į vienodumą
Pradinė būsena: vienas metalinio strypo galas liečiasi su aukštos -temperatūros šilumos šaltiniu, o kitas galas liečiasi su žemos-temperatūros šilumos šaltiniu, todėl susidaro temperatūros gradientas.
Evoliucijos procesas: šiluma nuolat perduodama išilgai strypo iš aukštos{0}}temperatūros galo į žemos-temperatūros galą, kartu didėjant entropijai.
Galutinė būsena: pašalinus šilumos šaltinius abiejuose galuose ir izoliavus sistemą, viso strypo temperatūra ilgainiui tampa vienoda ir pasiekia šiluminę pusiausvyrą.
2. Difuzija: koncentracija linkusi į vienodumą
Pradinė būsena: į nejudantį vandenį įlašinamas rašalo lašas, todėl susidaro itin didelė vietinė koncentracija.
Evoliucijos procesas: Rašalo molekulės palaipsniui išsisklaido dėl Brauno judėjimo, o sistemos sutrikimas didėja.
Galutinė būsena: visiškai sumaišyta, vienoda spalva, maksimali entropija ir difuzija nutrūksta.
3. Cheminė reakcija: linkusi į cheminę pusiausvyrą
Pradinė būsena: didelė reagento koncentracija, nulinė produkto koncentracija.
Evoliucijos procesas: priekinės reakcijos greitis yra didesnis nei atvirkštinės reakcijos greitis, o sistema vystosi link produkto krypties.
Galutinė būsena: pirminės ir atvirkštinės reakcijos greičiai yra vienodi, kiekvieno komponento koncentracijos nebesikeičia ir pasiekiama cheminė pusiausvyra (termodinaminės pusiausvyros tipas).
Ypatingi atvejai ir ribinės sąlygos
|
Atvejo tipas |
Pusiausvyros pasiekimas |
Paaiškinimas |
|
Izoliuota sistema |
Neišvengiamai linksta į pusiausvyrą |
Jokių išorinių trikdžių, maksimali entropija pabaigoje |
|
Uždara sistema |
Gali pasiekti pusiausvyrą |
Leidžia keistis energija, bet nesvarbu, kas įeina ar išeina |
|
Atvira sistema |
Gali išlaikyti ne-pusiausvyros būseną |
Pavyzdžiui, gyvas organizmas, nuolat įvedantis energiją, formuodamas išsklaidymo struktūras (pvz., ląstelių metabolizmą). |
|
Metastabili būsena |
Paviršius stabilus, bet iš tikrųjų ne{0}}pusiausvyra |
Pavyzdžiui, peršaldytas vanduo, kuris neužšąla esant -5 laipsniams, bet susitraukia iki tikrosios pusiausvyros būsenos su nedideliais sutrikimais. |
Mikroskopinė perspektyva: evoliucija dalelių elgesio požiūriu
Žvelgiant iš statistinės fizikos perspektyvos, sistemos, linkusios į pusiausvyrą, esmė yra ta, kad sistema linkusi į mikroskopinių būsenų derinį su didžiausia atsiradimo tikimybe. Žemos-entropijos (sutvarkytos) būsenos atitinka labai mažą mikroskopinių konfigūracijų skaičių, o didelės-entropijos (sutvarkytos) būsenos turi daugybę galimybių. Todėl „labiau tikėtina“, kad sistema išsivystys į didelės-entropijos būseną-tai nėra tikrumas, o statistiškai įspūdingas rezultatas.
Tai taip pat paaiškina, kodėl atvirkštiniai procesai (pvz., automatinis rašalo kaupimas) teoriškai nėra absoliučiai uždrausti, bet iš tikrųjų neįmanomi.
