تکامل خود به خودی یک سیستم از حالت تعادل غیر-به حالت تعادل یک قانون طبیعی است که توسط یک تفاوت پتانسیل ذاتی هدایت میشود و از طریق فرآیندی برگشتناپذیر به سمت حالت حداکثر آنتروپی میرود. هسته اصلی آن توزیع مجدد انرژی و ماده است تا زمانی که به حالت پایداری برسد که در آن سکون ماکروسکوپی همچنان ادامه دارد و پویایی میکروسکوپی ادامه دارد.
این فرآیند تکاملی در سیستمهای فیزیکی، شیمیایی و حتی بیولوژیکی مانند خنککننده آب گرم، انتشار جوهر و هدایت حرارتی فلز گسترده است که همگی توسط محدودیت اساسی قانون دوم ترمودینامیک کنترل میشوند.
مکانیسم اصلی فرآیند تکاملی:
درایوهای تفاوت بالقوه تغییر می کند. دلیل اصلی انحراف یک سیستم از تعادل، وجود نوعی «تفاوت پتانسیل» است، مانند اختلاف دما (رسانایی گرما)، اختلاف فشار (انبساط حجم)، اختلاف غلظت (نشر) یا اختلاف پتانسیل شیمیایی (نیروی محرکه واکنش). این تفاوتهای پتانسیل نیروی محرکه درون سیستم یا بین سیستم و محیط آن را تشکیل میدهند و جریانهای ماکروسکوپی انرژی یا ماده را تحریک میکنند.
فرآیند آرامش برگشت ناپذیر در غیاب مداخله خارجی، یک سیستم به تدریج این تفاوت ها را از طریق فعل و انفعالات داخلی (مانند برخوردهای مولکولی و تبادل انرژی) حذف می کند. به این فرآیند آرامش می گویند. معمولاً برگشت ناپذیر است و با افزایش آنتروپی، مطابق با قانون دوم ترمودینامیک همراه است.
رسیدن به تعادل پویا: سکون ماکروسکوپی، فعالیت میکروسکوپی وقتی همه گرادیان های ماکروسکوپی قابل اندازه گیری ناپدید می شوند (دمای یکنواخت، فشار ثابت، غلظت ثابت)، سیستم وارد تعادل ترمودینامیکی می شود. در این نقطه، هیچ جریان خالصی از نظر ماکروسکوپی وجود ندارد، اما ذرات میکروسکوپی هنوز در حرکت ثابت هستند-این یک تعادل دینامیکی است (به آن تعادل ترمودینامیکی نیز میگویند).
نمونه مسیر تکامل معمولی
1. هدایت حرارتی: دما به یکنواختی تمایل دارد
حالت اولیه: یک سر یک میله فلزی با منبع گرمای{0}درجه حرارت بالا و سر دیگر آن با منبع گرمایی با دمای پایین- در تماس است و یک گرادیان دما ایجاد می کند.
فرآیند تکامل: گرما به طور پیوسته در طول میله از انتهای دمای بالا به انتهای دمای پایین- منتقل می شود که با افزایش آنتروپی همراه است.
حالت نهایی: اگر منابع حرارتی در دو انتها حذف شوند و سیستم ایزوله شود، دمای کل میله در نهایت یکنواخت می شود و به تعادل حرارتی می رسد.
2. انتشار: تمرکز تمایل به یکنواختی دارد
حالت اولیه: یک قطره جوهر در آب ساکن ریخته می شود که منجر به غلظت موضعی بسیار بالا می شود.
فرآیند تکامل: مولکول های جوهر به دلیل حرکت براونی به تدریج پراکنده می شوند و اختلال سیستم افزایش می یابد.
حالت نهایی: کاملاً مخلوط، رنگ یکنواخت، حداکثر آنتروپی و انتشار متوقف می شود.
3. واکنش شیمیایی: تمایل به تعادل شیمیایی دارد
حالت اولیه: غلظت واکنش دهنده بالا، غلظت محصول صفر.
فرآیند تکامل: سرعت واکنش رو به جلو بیشتر از سرعت واکنش معکوس است و سیستم به سمت جهت محصول تکامل می یابد.
حالت نهایی: سرعت واکنش رو به جلو و معکوس برابر است، غلظت هر جزء دیگر تغییر نمی کند و به تعادل شیمیایی می رسد (نوعی تعادل ترمودینامیکی).
موارد خاص و شرایط مرزی
|
نوع مورد |
دستیابی به تعادل |
توضیح |
|
سیستم ایزوله |
به ناچار به سمت تعادل میل می کند |
بدون اختلال خارجی، حداکثر آنتروپی در انتها |
|
سیستم بسته |
می تواند به تعادل برسد |
اجازه تبادل انرژی را می دهد، اما هیچ ماده ای وارد یا خارج نمی شود |
|
باز کردن سیستم |
می تواند حالت ثابت غیرتعادلی را حفظ کند |
مانند یک موجود زنده که به طور مداوم انرژی وارد می کند، ساختارهای اتلاف کننده را تشکیل می دهد (مانند متابولیسم سلولی) |
|
حالت فراپایدار |
سطح پایدار است، اما در واقع -عدم تعادل |
مانند آب فوق سرد که در 5- درجه یخ نمی زند، اما با اختلالات جزئی به حالت تعادل واقعی سقوط می کند. |
دیدگاه میکروسکوپی: تکامل از دیدگاه رفتار ذرات
از دیدگاه فیزیک آماری، ماهیت سیستمی که به سمت تعادل گرایش دارد این است که سیستم به سمت ترکیبی از حالات میکروسکوپی با بیشترین احتمال وقوع گرایش دارد. حالتهای{1}}آنتروپی پایین (مرتب) با تعداد بسیار کمی از پیکربندیهای میکروسکوپی مطابقت دارند، در حالی که حالتهای{2}}آنتروپی بالا (نظم) تعداد زیادی امکانات دارند. بنابراین، سیستم "احتمال بیشتری دارد" به یک-وضعیت آنتروپی بالا- تبدیل شود.
این همچنین توضیح می دهد که چرا فرآیندهای معکوس (مانند ادغام خودکار جوهر) از نظر تئوری کاملاً ممنوع نیستند، اما در واقعیت عملاً غیرممکن هستند.
