نظريات التقلب والديناميكا الحرارية العشوائية
نظريات التقلب هي علاقات دقيقة تحكم إنتاج الإنتروبيا والشغل في الأنظمة الصغيرة المدفوعة، وتوسع القانون الثاني ليشمل المسارات المتقلبة وتؤسس للديناميكا الحرارية العشوائية.
Definition
نظريات التقلب هي هويات إحصائية دقيقة تقيد احتمالية ملاحظة كمية معينة من الشغل أو إنتاج الإنتروبيا في عملية غير متوازنة مدفوعة، والديناميكا الحرارية العشوائية هي الإطار الذي يخصص كميات ديناميكية حرارية للمسارات المتقلبة الفردية للأنظمة الصغيرة.
Scope
يغطي هذا الموضوع إطار الديناميكا الحرارية العشوائية، حيث يتم تعريف الحرارة والشغل وإنتاج الإنتروبيا على طول المسارات المتقلبة الفردية، ومساواة جارزينسكي التي تربط الشغل غير المتوازن بفروق الطاقة الحرة التوازنية، ونظرية كروكس للتقلب للعمليات الأمامية والعكسية، ونظريات التقلب التكاملية والتفصيلية لإنتاج الإنتروبيا، وتطبيقاتها على الآلات الجزيئية وتجارب الجزيء الواحد. ويتم التركيز على التفسير الإحصائي لانتهاكات القانون الثاني على المقاييس الصغيرة.
Core questions
- كيف تُعرّف الحرارة والشغل وإنتاج الإنتروبيا على طول مسار عشوائي واحد؟
- كيف تستعيد مساواة جارزينسكي الطاقات الحرة التوازنية من الشغل غير المتوازن؟
- ماذا تقول نظرية كروكس عن تماثل العمليات الأمامية والعكسية؟
- بأي معنى تنتهك الأنظمة الصغيرة القانون الثاني مؤقتًا بينما تلتزم به في المتوسط؟
Key concepts
- الشغل والحرارة وإنتاج الإنتروبيا على مستوى المسار
- مساواة جارزينسكي
- نظرية تقلب كروكس
- نظريات التقلب التكاملية والتفصيلية
- الآلات الجزيئية وإحصائيات القانون الثاني
Key theories
- مساواة جارزينسكي
- المتوسط الأسي للشغل المبذول في دفع نظام بين حالتين يساوي الأسي لفرق الطاقة الحرة التوازنية، ويظل صحيحًا بغض النظر عن مدى ابتعاد العملية عن التوازن.
- نظرية تقلب كروكس
- تُحدد نسبة احتمالات بذل كمية معينة من الشغل في عملية أمامية وسالب تلك الكمية من الشغل في العملية المعكوسة زمنيًا بواسطة الفرق بين الشغل وتغير الطاقة الحرة، مما ينقح مساواة جارزينسكي.
Clinical relevance
تُختبر نظريات التقلب وتُطبق في تجارب سحب الجزيء الواحد لاستخلاص الطاقات الحرة، وتأطير طاقة وكفاءة المحركات الجزيئية البيولوجية، وتوفير معلومات حول الديناميكا الحرارية للأجهزة الصغيرة والنانوية حيث تهيمن التقلبات.
History
بناءً على نظرية تقلب إيفانز-كوهين-موريس عام 1993، قدمت مساواة جارزينسكي عام 1997 ونظرية كروكس عام 1999 علاقات دقيقة غير متوازنة تربط الشغل والطاقة الحرة، مما أطلق مجال الديناميكا الحرارية العشوائية الذي تطور بشكل مكثف في العقود التالية.
Key figures
- Christopher Jarzynski
- Gavin Crooks
- Udo Seifert
- Denis Evans
Related topics
Seminal works
- jarzynski1997
- crooks1999
- seifert2012
Frequently asked questions
- هل تنتهك نظريات التقلب القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟
- لا. إنها تُظهر أن الأنظمة الصغيرة قد تُظهر إنتاج إنتروبيا سالبًا للحظات، لكن احتمالية حدوث مثل هذه الأحداث تُقمع أسيًا ويظل متوسط إنتاج الإنتروبيا غير سالب، لذا فإن القانون الثاني يظل صحيحًا كبيان إحصائي.