✖


Jump to content

Стохастическая термодинамика

Стохастическая термодинамика — это новая область исследований в статистической механике , которая использует стохастические переменные для лучшего понимания неравновесной динамики, присутствующей во многих микроскопических системах. [1] такие как коллоидные частицы , биополимеры (например, ДНК , РНК и белки ), ферменты и молекулярные двигатели . [а] [5] [ объяснить ]

Обзор

[ редактировать ]

Когда микроскопическая машина (например, МЭМ ) выполняет полезную работу, она генерирует тепло и энтропию как побочный продукт процесса, однако также прогнозируется, что эта машина будет работать «назад» или «назад» в течение значительных коротких периодов времени. То есть тепловая энергия из окружающей среды будет преобразована в полезную работу. Для более крупных двигателей это можно было бы охарактеризовать как нарушение второго закона термодинамики , поскольку энтропия скорее потребляется, чем генерируется. Парадокс Лошмидта [6] утверждает, что в обратимой во времени системе для каждой траектории существует обращенная во времени антитраектория. Поскольку производство энтропии траектории и равной ей антитраектории имеют одинаковую величину, но противоположный знак, то, как утверждается, нельзя доказать, что производство энтропии положительно. [7]

Долгое время точные результаты в термодинамике были возможны только в линейных системах, способных достигать равновесия, оставляя нерешенными другие вопросы, такие как парадокс Лошмидта. В течение последних нескольких десятилетий новые подходы выявили общие законы, применимые к неравновесным системам, которые описываются нелинейными уравнениями, выведя диапазон точных термодинамических утверждений за пределы традиционных линейных решений. Эти точные результаты особенно актуальны для небольших систем, в которых происходят заметные (обычно негауссовы) флуктуации. Благодаря стохастической термодинамике теперь можно точно предсказать функции распределения термодинамических величин, связанных с обменным теплом, приложенной работой или производством энтропии для этих систем. [8]

Теорема о флуктуациях

[ редактировать ]
Основная статья: Теорема о флуктуации

Математическое решение парадокса Лошмидта называется теоремой о флуктуациях (стационарного состояния) (FT), которая является обобщением второго закона термодинамики. FT показывает, что по мере того, как система становится больше или длительность траектории увеличивается, траектории, потребляющие энтропию, становятся менее маловероятными, и ожидаемое поведение второго закона восстанавливается.

Впервые FT был предложен Evans et al. (1993) [9] и большая часть работы, проделанной по разработке и расширению теоремы, была выполнена теоретиками и математиками, интересующимися неравновесной статистической механикой. [б] [7]

Первое наблюдение и экспериментальное доказательство флуктуационной теоремы Эвана (FT) было выполнено Wang et al. (2002) [10]

Равенство Яржинского

[ редактировать ]
Основная статья: равенство Яржинского

Зиферт пишет: [8]

Яржинский ( 1997a , 1997b ) доказал замечательное соотношение, которое позволяет выразить разницу свободной энергии между двумя равновесными системами посредством нелинейного среднего по работе, необходимой для перевода системы в неравновесном процессе из одного состояния в другое. Сравнивая распределения вероятностей работы, затраченной в исходном процессе, с обращенным во времени, Крукс нашел «уточнение» соотношения Яржинского (JR): [11] теперь называется флуктуационной теоремой Крукса . И это соотношение, и другое уточнение JR, соотношение Хаммера-Сабо, стало особенно полезным для определения различий в свободной энергии и ландшафтов биомолекул. Эти соотношения являются наиболее важными в классе точных результатов (некоторые из которых были найдены еще раньше, а затем переоткрыты), справедливых для неравновесных систем, движимых силами, зависящими от времени. Близкой аналогией JR, которая связывает различные состояния равновесия, является соотношение Хатано-Сасы, которое применяется к переходам между двумя различными неравновесными устойчивыми состояниями.

Показано, что это частный случай более общего отношения.

Стохастическая энергетика

[ редактировать ]

История

[ редактировать ]

Зиферт пишет: [8]

Классическая термодинамика по своей сути изучает общие законы преобразований системы, в частности те, которые связаны с обменом теплотой, работой и веществом с окружающей средой. В качестве основного результата определяется общее производство энтропии, которое в любом таком процессе никогда не может уменьшаться, что приводит, среди прочего, к фундаментальным ограничениям эффективности тепловых двигателей и холодильников. [8]
Термодинамическая характеристика систем, находящихся в равновесии, получила микроскопическое обоснование в равновесной статистической механике, которая утверждает, что для системы, находящейся в контакте с термостатом, вероятность найти ее в каком-либо конкретном микросостоянии определяется фактором Больцмана. При небольших отклонениях от равновесия теория линейного отклика позволяет выразить транспортные свойства, вызванные малыми внешними полями, через равновесные корреляционные функции. На более феноменологическом уровне линейная необратимая термодинамика обеспечивает связь между такими коэффициентами переноса и производством энтропии с точки зрения сил и потоков. За пределами этого режима линейного отклика долгое время не было универсальных точных результатов. [8]
За последние 20 лет новые подходы выявили общие законы, применимые к неравновесной системе, тем самым выдвинув диапазон применимости точных термодинамических утверждений за пределы области линейного отклика глубоко в область истинной неравновесности. Эти точные результаты, которые становятся особенно актуальными для небольших систем с заметными (обычно негауссовыми) флуктуациями, в целом относятся к функциям распределения термодинамических величин, таких как обмен теплоты, приложенная работа или производство энтропии. [8]
Стохастическая термодинамика сочетает в себе стохастическую энергетику, введенную Секимото (1998). [12] с идеей, что энтропию можно последовательно отнести к одной колеблющейся траектории. [12]

Открытое исследование

[ редактировать ]

Квантовая стохастическая термодинамика

[ редактировать ]
Основная статья: Квантовая термодинамика

Стохастическая термодинамика может применяться к управляемым (то есть открытым) квантовым системам всякий раз, когда эффекты квантовой когерентности можно игнорировать. В этом случае динамика открытой квантовой системы эквивалентна классической стохастической. Однако иногда за это приходится платить нереалистичными измерениями в начале и в конце процесса. [с] [13]

Понимание неравновесной квантовой термодинамики в более широком смысле является важной и активной областью исследований. Эффективность некоторых задач вычислительной техники и теории информации можно значительно повысить при использовании квантово-коррелированных состояний; квантовые корреляции могут использоваться не только как ценный ресурс в квантовых вычислениях, но и в области квантовой термодинамики. [14] Новые типы квантовых устройств в неравновесных состояниях функционируют совсем иначе, чем их классические аналоги. Например, теоретически было показано, что неравновесные квантовые системы с храповым механизмом функционируют гораздо эффективнее, чем предсказывает классическая термодинамика. [д] [15] Также было показано, что квантовая когерентность может быть использована для повышения эффективности систем за пределами классического предела Карно . Это потому, что можно было бы извлечь работу в виде фотонов из одной тепловой ванны. Квантовую когерентность можно фактически использовать в роли демона Максвелла. [16] хотя более широкая интерпретация второго закона термодинамики, основанная на теории информации, не нарушается. [и] [21]

Квантовые версии стохастической термодинамики изучаются уже некоторое время. [ф] и в последние несколько лет наблюдается всплеск интереса к этой теме. [с] Квантовая механика затрагивает глубокие проблемы, связанные с интерпретацией реальности (например, копенгагенская интерпретация , теория многих миров , теория де Бройля-Бома и т. д. — все это конкурирующие интерпретации, которые пытаются объяснить неинтуитивные результаты квантовой теории). Есть надежда, что, пытаясь уточнить квантовомеханическое определение работы, имея дело с открытыми квантовыми системами, анализируя точно решаемые модели или предлагая и выполняя эксперименты для проверки неравновесных предсказаний, [г] будет получено важное понимание интерпретации квантовой механики и истинной природы реальности. [26]

Применение неравновесных рабочих соотношений, таких как равенство Яржинского, недавно было предложено в целях обнаружения квантовой запутанности ( Hide & Vedral 2010 ) и для улучшения задач оптимизации (минимизации или максимизации функции многих переменных, называемой функцией стоимости ) с помощью квантовых отжиг ( Ohzeki & Nishimori 2011 ). [26]

Активные ванны

[ редактировать ]

До недавнего времени термодинамика рассматривала только системы, связанные с тепловой ванной и, следовательно, удовлетворяющие статистике Больцмана . Однако некоторые системы не удовлетворяют этим условиям и далеки от равновесия, например живая материя, для которой ожидается, что колебания будут негауссовыми . [27]

Системы активных частиц способны брать энергию из окружающей среды и уводить себя далеко от равновесия. Важным примером активной материи являются объекты, способные к самодвижению. Благодаря этому свойству они обладают рядом новых свойств поведения, недостижимых для материи в состоянии теплового равновесия, включая, например, роение и появление других коллективных свойств. [28] Пассивная частица считается в активной ванне, когда она находится в среде, где присутствует большое количество активных частиц. Эти частицы будут оказывать нетепловое воздействие на пассивный объект, так что он будет испытывать нетепловые колебания и будет вести себя совершенно иначе, чем пассивная броуновская частица в термической ванне. Наличие активной ванны может существенно влиять на микроскопическую термодинамику частицы. Эксперименты показали, что равенство Яржинского в некоторых случаях не выполняется из-за наличия небольцмановской статистики в активных ваннах. [час] Это наблюдение указывает на новое направление в изучении неравновесной статистической физики и стохастической термодинамики, где сама окружающая среда также далека от равновесия. [30]

Активные ванны представляют собой вопрос особой важности в биохимии. Например, биомолекулы внутри клеток взаимодействуют с активной ванной благодаря наличию молекулярных моторов внутри цитоплазмы, что приводит к поразительным и во многом еще не изученным явлениям, таким как появление аномальной диффузии (Barkai et al., 2012). Кроме того, сворачиванию белка может способствовать наличие активных флуктуаций (Harder et al., 2014b), а динамика активного вещества может играть центральную роль в нескольких биологических функциях (Mallory et al., 2015; Shin et al., 2015; Suzuki и др., 2015). Вопрос о том, в какой степени стохастическая термодинамика может быть применена к системам, связанным с активными ваннами, остается открытым. [27]

Ссылки

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ См. Зайферт (2008) , [2] Зайферт (2012) [3] и Яржинский (2011) [4] за академические обзорные статьи по стохастической термодинамике.
  2. ^ Оригинальный численный анализ Эвана был показан эвристически и связан с термостатированной жидкостью, вызываемой сдвигом, в контакте с тепловой баней. Позже это было математически доказано для большого класса систем с использованием концепций хаотической динамики Галлавотти и Коэна (1995) , для управляемой динамики Ланжевена Курчаном (1998) и для управляемой диффузионной динамики Лебовицем и Споном (1999) . Вариант, теорема о переходных флуктуациях, справедливая для релаксации к устойчивому состоянию, была позже найдена Эвансом и Сирлзом (1994) . [8]
  3. ^ Jump up to: а б См. Эспозито и др. (2009) и Камписи и др. (2011) за академические обзорные статьи о неравновесных квантовых флуктуациях. [13]
  4. ^ См., например, Юкава и др. (1997) , Рейманн и др. (1997) , Татара и др. (1998) [15]
  5. ^ См., например, Скалли (2001) , [17] Скалли и др. (2003) , [16] Дилленшнайдер и Лутц (2009) , [18] Росснагель и др. (2014) , [19] и Росснагель и др. (2016) [20]
  6. ^ См., например, Юкава (2000). [22] и Мукамель (2003) [23]
  7. ^ См., например, Huber et al. (2008) [24] и Ан и др. (2014) [25]
  8. ^ См., например, Аргун и др. (2016) [29]

Цитаты

[ редактировать ]
  1. ^ Пелити и Пиголотти, 2021 , с. [ нужна страница ] .
  2. ^ Камписи и др. 2011 , с. 3; Яржинский 2011 , с. 347.
  3. ^ Бертини и др. 2015 , с. 4; Бехингер и др. 2016 , с. 45.
  4. ^ Камписи и др. 2011 , с. 3; Зейферт 2012 , с. 10; Бехингер и др. 2016 , с. 45.
  5. ^ Зайферт 2012 , с. 7.
  6. ^ Лошмидт 1876 .
  7. ^ Jump up to: а б Ван и др. 2002 , с.050601-1.
  8. ^ Jump up to: а б с д и ж г Зейферт 2012 , с. 6.
  9. ^ Герстнер 2002 ; Ван и др. 2002 , с. 1; Зейферт 2008 , с. 1; Зейферт 2012 , с. 6; Яржинский 2011 , с. 331; Камписи и др. 2011 , с. 3.
  10. ^ Чалмерс 2002 ; Герстнер 2002 ; Белый дом 2002 .
  11. ^ Крукс 1999 .
  12. ^ Jump up to: а б Зейферт 2008 , с. 1.
  13. ^ Jump up to: а б Зейферт 2012 , с. 9.
  14. ^ Дилленшнайдер и Лутц 2009 , с. 6.
  15. ^ Jump up to: а б Юкава 2000 , стр. 1.
  16. ^ Jump up to: а б Маруяма и др. 2009 , с. 20.
  17. ^ Городецкий и др. 2007 , с. 80; Маруяма и др. 2009 , с. 20.
  18. ^ Моди и др. 2012 , с. 43.
  19. ^ Университет Йоханнеса Гутенберга в Майнце, 2014 г .; Зыга 2014 .
  20. ^ Картлидж 2015 .
  21. ^ Дилленшнайдер и Лутц 2009 , стр. 5–6.
  22. ^ Эспозито и др. 2009 , с. 2; Яржинский 2011 , с. 348; Камписи и др. 2011 , с. 8.
  23. ^ Эспозито и др. 2009 , с. 2, 8; Яржинский 2011 , с. 348; Камписи и др. 2011 , с. 13.
  24. ^ Камписи и др. 2011 , с. 16; Яржинский 2011 , с. 348.
  25. ^ Росснагель и др. 2016 , стр. 1.
  26. ^ Jump up to: а б Яржинский 2011 , с. 348.
  27. ^ Jump up to: а б Бехингер и др. 2016 , с. 45.
  28. ^ Бехингер и др. 2016 , с. 2.
  29. ^ Бехингер и др. 2016 , с. 12, 26, 45
  30. ^ Бехингер и др. 2016 , с. 26.

Академические ссылки

[ редактировать ]

Нажимать

[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Stochastic_thermodynamics&oldid=1231122537"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: d23283b420ed29ac27cc592392674447__1719406620
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/d2/47/d23283b420ed29ac27cc592392674447.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Stochastic thermodynamics - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)