L'evolució espontània d'un sistema d'un estat de no -equilibri a un estat d'equilibri és una llei natural impulsada per una diferència de potencial inherent, que tendeix a un estat de màxima entropia mitjançant un procés irreversible. El seu nucli és la redistribució de l'energia i la matèria fins que s'arriba a un estat estable on la quietud macroscòpica persisteix mentre la dinàmica microscòpica continua.
Aquest procés evolutiu està molt estès en sistemes físics, químics i fins i tot biològics, com ara el refredament per aigua calenta, la difusió de la tinta i la conducció tèrmica del metall, tots regits per la restricció fonamental de la segona llei de la termodinàmica.
El mecanisme bàsic del procés evolutiu:
La diferència de potencial impulsa el canvi. La raó fonamental per la qual un sistema es desvia de l'equilibri és l'existència d'algun tipus de "diferència de potencial", com ara una diferència de temperatura (conducció de calor), diferència de pressió (expansió de volum), diferència de concentració (difusió) o diferència de potencial químic (força impulsora de la reacció). Aquestes diferències de potencial constitueixen la força motriu dins del sistema o entre el sistema i el seu entorn, provocant fluxos macroscòpics d'energia o matèria.
Procés de relaxació irreversible En absència d'intervenció externa, un sistema elimina gradualment aquestes diferències mitjançant interaccions internes (com les col·lisions moleculars i l'intercanvi d'energia). Aquest procés s'anomena relaxació. Normalment és irreversible i va acompanyat d'un augment de l'entropia, d'acord amb la segona llei de la termodinàmica.
Assolir l'equilibri dinàmic: quietud macroscòpica, activitat microscòpica Quan desapareixen tots els gradients macroscòpics mesurables (temperatura uniforme, pressió constant, concentració constant), el sistema entra en equilibri termodinàmic. En aquest punt, no hi ha flux net macroscòpicament, però les partícules microscòpiques encara estan en moviment constant-és un equilibri dinàmic (també anomenat equilibri termodinàmic).
Exemple típic del camí d'evolució
1. Conducció de calor: la temperatura tendeix a la uniformitat
Estat inicial: un extrem d'una vareta metàl·lica està en contacte amb una font de calor-alta temperatura, i l'altre extrem està en contacte amb una font de calor de baixa-temperatura, creant un gradient de temperatura.
Procés d'evolució: la calor es transfereix contínuament al llarg de la vareta des de l'extrem d'alta-temperatura a l'extrem de baixa-temperatura, acompanyat d'un augment de l'entropia.
Estat final: si s'eliminen les fonts de calor en ambdós extrems i s'aïlla el sistema, la temperatura de tota la vareta finalment es torna uniforme, arribant a l'equilibri tèrmic.
2. Difusió: la concentració tendeix a la uniformitat
Estat inicial: una gota de tinta cau a l'aigua tranquil·la, donant lloc a una concentració local extremadament alta.
Procés d'evolució: les molècules de tinta es dispersen gradualment a causa del moviment brownià, i el desordre del sistema augmenta.
Estat final: completament barrejat, color uniforme, entropia màxima i cessa la difusió.
3. Reacció química: tendeix a l'equilibri químic
Estat inicial: alta concentració de reactius, concentració de producte zero.
Procés d'evolució: la velocitat de reacció directa és més gran que la velocitat de reacció inversa i el sistema evoluciona cap a la direcció del producte.
Estat final: les velocitats de reacció directa i inversa són iguals, les concentracions de cada component ja no canvien i s'arriba a l'equilibri químic (un tipus d'equilibri termodinàmic).
Casos especials i condicions límit
|
Tipus de cas |
Assoliment de l'equilibri |
Explicació |
|
Sistema Aïllat |
Inevitablement tendeix a l'equilibri |
Sense pertorbacions externes, entropia màxima al final |
|
Sistema tancat |
Pot arribar a l'equilibri |
Permet l'intercanvi d'energia, però no hi entra ni surt matèria |
|
Sistema Obert |
Pot mantenir un estat estacionari sense -equilibri |
Com ara un organisme viu que introdueix energia contínuament, formant estructures dissipatives (com el metabolisme cel·lular) |
|
Estat metaestable |
Superfície estable, però en realitat no -equilibri |
Com l'aigua superrefredada que no es congela a -5 graus, però s'enfonsa fins a un veritable estat d'equilibri amb lleus pertorbacions |
Perspectiva microscòpica: evolució des de la perspectiva del comportament de les partícules
Des d'una perspectiva de física estadística, l'essència d'un sistema que tendeix a l'equilibri és que el sistema tendeix a la combinació d'estats microscòpics amb més probabilitat d'ocurrència. Els estats d'entropia baixa (ordenats) corresponen a un nombre molt reduït de configuracions microscòpiques, mentre que els estats d'entropia (desordenats) d'alta-entropia tenen un gran nombre de possibilitats. Per tant, és "més probable" que el sistema evolucioni cap a un -estat d'entropia- alt, això no és una certesa, sinó un resultat estadísticament aclaparador.
Això també explica per què els processos inversos (com ara l'agrupació automàtica de tinta) no estan teòricament totalment prohibits, però són pràcticament impossibles en realitat.
