Evolusi spontan sistem daripada keadaan bukan-keseimbangan kepada keadaan keseimbangan ialah undang-undang semula jadi yang didorong oleh beza potensi yang wujud, cenderung ke arah keadaan entropi maksimum melalui proses tidak boleh balik. Terasnya ialah pengagihan semula tenaga dan jirim sehingga keadaan stabil dicapai di mana keheningan makroskopik berterusan sementara dinamik mikroskopik berterusan.
Proses evolusi ini meluas dalam sistem fizikal, kimia, dan juga biologi, seperti penyejukan air panas, resapan dakwat, dan pengaliran haba logam, semuanya dikawal oleh kekangan asas undang-undang kedua termodinamik.
Mekanisme teras proses evolusi:
Perbezaan potensi mendorong perubahan. Sebab asas sistem menyimpang daripada keseimbangan ialah wujudnya beberapa jenis "perbezaan potensi", seperti perbezaan suhu (konduksi haba), perbezaan tekanan (pengembangan volum), perbezaan kepekatan (penyebaran), atau perbezaan potensi kimia (daya penggerak tindak balas). Perbezaan potensi ini membentuk daya penggerak dalam sistem atau antara sistem dan persekitarannya, mendorong aliran makroskopik tenaga atau jirim.
Proses Relaksasi Tidak Boleh Berbalik Jika tiada campur tangan luar, sistem secara beransur-ansur menghapuskan perbezaan ini melalui interaksi dalaman (seperti perlanggaran molekul dan pertukaran tenaga). Proses ini dipanggil relaksasi. Ia biasanya tidak boleh diterbalikkan dan disertai dengan peningkatan entropi, mematuhi undang-undang kedua termodinamik.
Mencapai Keseimbangan Dinamik: Keheningan Makroskopik, Aktiviti Mikroskopik Apabila semua kecerunan makroskopik yang boleh diukur hilang (suhu seragam, tekanan konsisten, kepekatan malar), sistem memasuki keseimbangan termodinamik. Pada ketika ini, tiada aliran bersih secara makroskopik, tetapi zarah mikroskopik masih dalam gerakan malar-ini ialah keseimbangan dinamik (juga dipanggil keseimbangan termodinamik).
Contoh Laluan Evolusi Biasa
1. Pengaliran Haba: Suhu Cenderung kepada Keseragaman
Keadaan Permulaan: Satu hujung rod logam bersentuhan dengan-sumber haba suhu tinggi, dan hujung satu lagi bersentuhan dengan-sumber haba suhu rendah, mewujudkan kecerunan suhu.
Proses Evolusi: Haba dipindahkan secara berterusan sepanjang rod dari hujung suhu tinggi-ke hujung suhu rendah-, disertai dengan peningkatan entropi.
Keadaan Akhir: Jika sumber haba di kedua-dua hujung dikeluarkan dan sistem diasingkan, suhu keseluruhan rod akhirnya menjadi seragam, mencapai keseimbangan terma.
2. Resapan: Kepekatan Cenderung kepada Keseragaman
Keadaan Awal: Setitik dakwat dititiskan ke dalam air pegun, menghasilkan kepekatan tempatan yang sangat tinggi.
Proses Evolusi: Molekul dakwat secara beransur-ansur tersebar disebabkan oleh gerakan Brown, dan gangguan sistem meningkat.
Keadaan Akhir: Campuran sepenuhnya, warna seragam, entropi maksimum, dan resapan terhenti.
3. Tindak Balas Kimia: Cenderung kepada Keseimbangan Kimia
Keadaan Awal: Kepekatan reaktan tinggi, kepekatan produk sifar.
Proses Evolusi: Kadar tindak balas ke hadapan adalah lebih besar daripada kadar tindak balas songsang, dan sistem berkembang ke arah arah produk.
Keadaan Akhir: Kadar tindak balas ke hadapan dan ke belakang adalah sama, kepekatan setiap komponen tidak lagi berubah, dan keseimbangan kimia dicapai (sejenis keseimbangan termodinamik).
Kes Khas dan Syarat Sempadan
|
Jenis Kes |
Pencapaian Keseimbangan |
Penjelasan |
|
Sistem Terpencil |
Tidak dapat dielakkan cenderung ke arah keseimbangan |
Tiada gangguan luaran, entropi maksimum pada akhirnya |
|
Sistem Tertutup |
Boleh mencapai keseimbangan |
Membenarkan pertukaran tenaga, tetapi tidak ada perkara yang masuk atau keluar |
|
Sistem Terbuka |
Boleh mengekalkan keadaan mantap bukan{0}}keseimbangan |
Seperti organisma hidup secara berterusan memasukkan tenaga, membentuk struktur pelesapan (seperti metabolisme sel) |
|
Keadaan Metastabil |
Permukaan stabil, tetapi sebenarnya bukan-keseimbangan |
Seperti air supersejuk yang tidak membeku pada -5 darjah, tetapi runtuh kepada keadaan keseimbangan sebenar dengan sedikit gangguan |
Perspektif Mikroskopik: Evolusi dari Perspektif Tingkah Laku Zarah
Dari perspektif fizik statistik, intipati sistem yang cenderung ke arah keseimbangan ialah sistem itu cenderung ke arah gabungan keadaan mikroskopik dengan kebarangkalian kejadian yang paling tinggi. Keadaan -entropi rendah (tersusun) sepadan dengan bilangan konfigurasi mikroskopik yang sangat kecil, manakala keadaan -entropi tinggi (tidak teratur) mempunyai banyak kemungkinan. Oleh itu, sistem "lebih berkemungkinan" berkembang menjadi-keadaan entropi tinggi-ini bukanlah suatu kepastian, sebaliknya keputusan yang memberangsangkan dari segi statistik.
Ini juga menjelaskan mengapa proses terbalik (seperti dakwat terkumpul secara automatik) tidak secara teorinya dilarang sama sekali, tetapi hampir mustahil dalam realiti.
