Неравновесная термодинамика

Неравновесная термодинамика — это раздел термодинамики, который изучает системы, находящиеся не в термодинамическом равновесии. В отличие от классической термодинамики, которая обычно предполагает, что исследуемые системы находятся в состоянии равновесия или близки к нему, неравновесная термодинамика применяется к более общим ситуациям, учитывая поток вещества и энергии во времени.

Введение

В классической термодинамике системы, как правило, изучаются, когда они находятся в равновесии. В состоянии равновесия макроскопические свойства системы не меняются во времени. Однако многие процессы в реальном мире далеки от равновесия, такие как химические реакции, биологические процессы и передача тепла. Неравновесная термодинамика предоставляет инструменты и концепции для изучения таких процессов.

Основные концепции диссипативной термодинамики

Равновесие против неравновесия

Обычный способ понять равновесие — это рассмотреть чашку горячего кофе, оставленную в комнате. Сначала кофе имеет более высокую температуру, чем окружающий воздух, и со временем он теряет тепло, пока не достигнет той же температуры, что и комната. Когда температуры выравниваются и нет дальнейшего чистого обмена теплом, считается, что система находится в равновесии.

Напротив, неравновесные условия можно наблюдать, когда кофе постоянно перемешивается или когда к нему применяется тепло. Это динамические ситуации, в которых макроскопические свойства постоянно изменяются.

Необратимые процессы

Неравновесная термодинамика часто связана с необратимыми процессами. Это процессы, которые не могут самостоятельно обратиться. Например, тепло течет от горячего объекта к холодному без какой-либо внешней работы; этот процесс необратим, потому что обратный процесс не происходит естественно. Чтобы тепловой поток шел от холодного объекта к горячему, нам нужна внешняя работа (например, холодильник).

Термодинамические силы и потоки

Основная концепция в неравновесной термодинамике — это соотношение между термодинамическими силами и потоками. Термодинамические силы — это градиенты, такие как температурные градиенты, градиенты концентрации или градиенты химического потенциала, которые вызывают изменения в системе. Потоки представляют собой поток таких величин, как тепло или вещество в ответ на эти силы.

J = L * X

Здесь J — это поток, X — термодинамическая сила, а L — коэффициент инциденции, пропорциональная константа, описывающая реакцию системы.

Линейная неравновесная термодинамика

Линейная неравновесная термодинамика — это область, сосредоточенная на системах, в которых силы и потоки линейно связаны, что является полезным приближением около равновесия. В линейных системах применяется принцип суперпозиции, что делает математический анализ более управляемым.

Применения в физической химии

Химические реакции

Рассмотрим простую химическую реакцию, где реагенты A и B объединяются, образуя продукт C:

A + B → C

В неравновесном состоянии концентрации A, B и C изменяются во времени. Скорости этих изменений можно описать с помощью кинетики реакций. Неравновесная термодинамика дает информацию о том, как изменения внешних условий, таких как температура или давление, влияют на скорость и направление реакции.

Диффузия

Ежедневный пример диффузии как неравновесного процесса — это растекание чернил в воде. Изначально локализованные, молекулы чернил движутся случайным образом из-за теплового движения, что приводит к диффузии. Этот процесс обусловлен градиентом концентрации и может быть изучен с помощью законов диффузии Фика.

В приведенной выше иллюстрации чернила распространяются в воде, иллюстрируя диффузию, вызванную градиентом концентрации.

Конвекция

Конвекция — это массовое движение групп молекул в жидкостях (газах и жидкостях) и является другим неравновесным процессом. Она необходима в ситуациях, где нужно передать тепло в жидкости, например, при кипячении воды. Здесь возникают конвекционные токи, которые эффективно отводят тепло от источника тепла.

Эта визульная иллюстрация показывает конвекционную ячейку, в которой тепло заставляет жидкость двигаться по круговой траектории, что позволяет эффективно передавать тепло.

Производство энтропии

В неравновесных системах производство энтропии постоянно, что контрастирует с равновесными системами, где энтропия максимальна, и производство останавливается. Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия изолированной системы имеет тенденцию к возрастанию, что согласуется со многими неравновесными процессами.

Рассмотрим таяние льда на открытом воздухе; когда это происходит, нет чистого обмена теплом с окружающей средой, энтропия воды (система) и воздуха (окружение) увеличивается, указывая на необратимые процессы, обусловленные градиентами.

Теорема Пригожина

Илья Пригожин углубил понимание неравновесных систем благодаря своей теореме о минимальном производстве энтропии, которая утверждает, что для линейных систем, близких к равновесию, скорость производства энтропии минимальна. Этот принцип помогает понять и предсказывать направление процессов в неравновесной термодинамике.

Биологические системы и неравновесная термодинамика

Живые системы являются основными примерами неравновесных термодинамических систем. Это открытые системы, которые обмениваются веществом и энергией с окружающей средой, что позволяет эволюционировать и поддерживаться далеко от равновесия.

Метаболизм

Метаболический путь состоит из последовательности биохимических реакций, протекающих в клетке, требующих постоянного поступления энергии и массы. Энергетическая валюта АТФ производится и потребляется, что приводит в действие эти процессы и поддерживает состояние, далекое от равновесия.

Гомеостаз

Гомеостаз — это биологический принцип, благодаря которому живые системы поддерживают стабильные внутренние условия, несмотря на внешние изменения. Эта регуляция обеспечивает контроль над такими переменными, как температура, pH и ионные концентрации, демонстрируя ключевые неравновесные термодинамические процессы в действии.

Неравновесная термодинамика может быть использована для анализа этих высокорегулируемых и энергозатратных процессов и для моделирования того, как эффективно организмы справляются с изменениями в окружающей среде.

Заключение

Неравновесная термодинамика расширяет диапазон традиционной термодинамики, учитывая динамическую природу реальных процессов. Понимая и применяя принципы неравновесной термодинамики, ученые могут лучше описывать и предсказывать поведение широкого спектра систем, от простых физических систем до сложных биологических организмов.

Комментарии