Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике , энтропийный сила действует в системе является возникающим явлением в результате статистической тенденции всей системы, чтобы увеличить ее энтропию , а не из конкретной базовой силы на атомном уровне. [1] [2] Энтропийная сила может рассматриваться как результат энтропийного взаимодействия. Понятие энтропийного взаимодействия обычно употреблялось в сослагательном наклонении. Например: «макромолекулы, как будто, энтропийно отталкиваются друг от друга на коротком расстоянии и энтропийно притягиваются друг к другу на большом расстоянии». [3] С современной точки зрения [4] [5]энтропийное взаимодействие рассматривается как реальное взаимодействие и рассматривается как взаимное влияние открытых термодинамических систем друг на друга посредством передачи информации об их состояниях, изменения их энтропий и перевода этих систем в более вероятные условия. Энтропийное взаимодействие - это квинтэссенция физического взаимодействия, которое реализуется посредством хорошо известных базовых взаимодействий (гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых ядерных) через процессы, происходящие в других частях Вселенной, включая Солнечную систему, нашу планету Земля и живые организмы. Основные взаимодействия считаются дочерними по отношению к энтропийному взаимодействию. Энтропийное взаимодействие не является следствием существования некоторого энтропийного заряда и сопровождающего его поля.Это не следует называть распределением энтропии в пространстве. Энтропийное взаимодействие отражает только «порядок» и «структуру» пространства, состояние пространства и физических систем в нем и, в конечном итоге, влияет на энергию, поведение и эволюцию таких систем, а также пространства в целом. Энтропийное взаимодействие приводит к изменению симметрии, свободной энергии и других характеристик физической системы. Используя это взаимодействие, все материальные объекты в Природе оказывают определенное влияние друг на друга, независимо от расстояния между ними.Энтропийное взаимодействие приводит к изменению симметрии, свободной энергии и других характеристик физической системы. Используя это взаимодействие, все материальные объекты в Природе оказывают определенное влияние друг на друга, независимо от расстояния между ними.Энтропийное взаимодействие приводит к изменению симметрии, свободной энергии и других характеристик физической системы. Используя это взаимодействие, все материальные объекты в Природе оказывают определенное влияние друг на друга, независимо от расстояния между ними.

Математическая формулировка [ править ]

В каноническом ансамбле энтропийная сила, связанная с разбиением макросостояния, задается следующим образом: [6] [7]

где это температура, это энтропия связана с макросостоянию и является настоящим макросостояние.


Примеры [ править ]

Принцип Маха [ править ]

В соответствии с принципом Маха , [8] местные законы физики определяются крупномасштабной структуры Вселенной и изменения в любой части Вселенной влияет на соответствующее воздействие на все его части [9] В первую очередь такие изменения обусловлены энтропийным взаимодействием. Как только они получают место в одной части вселенной, энтропия вселенной в целом также изменяется. То есть вся Вселенная «чувствует» такие изменения одновременно. Другими словами, энтропийное взаимодействие между различными частями любой термодинамической системы происходит мгновенно, без передачи какого-либо материального вещества, что означает, что это всегда дальнодействующее действие. После этого внутри системы возникают какие-то процессы, передающие какие-то вещества или порции энергии в нужном направлении. Эти действия производятся одним (или несколькими) базовыми взаимодействиями в соответствии с режимом действия ближнего действия. [10]

Рассеивание тепла [ править ]

Рассеивание тепла - один из примеров энтропийного взаимодействия. Когда одна сторона металлического полюса нагревается, вдоль полюса создается неоднородное распределение температуры. Из-за энтропийного взаимодействия между различными частями полюса энтропия всего полюса мгновенно уменьшится. В то же время появляется тенденция к однородному распределению температуры (и тем самым к увеличению энтропии полюса). Это будет действие дальнего действия. Появится процесс теплопроводности , чтобы реализовать эту тенденцию с помощью короткодействующего воздействия. В целом, это пример сосуществования дальних и краткосрочных действий в одном процессе.

Давление идеального газа [ править ]

Внутренняя энергия из идеального газа зависит только от его температуры, а не от объема содержащего его рамки, так что это не является энергетическим эффект , который имеет тенденцию к увеличению объема коробки , как газовое давление делает. Это означает, что давление идеального газа имеет энтропийное происхождение. [11]

Каково происхождение такой энтропийной силы? Самый общий ответ заключается в том, что эффект тепловых флуктуаций имеет тенденцию приближать термодинамическую систему к макроскопическому состоянию, которое соответствует максимуму в количестве микроскопических состояний (или микросостояний) , совместимых с этим макроскопическим состоянием. Другими словами, тепловые флуктуации приводят систему к макроскопическому состоянию максимальной энтропии . [11]

Броуновское движение [ править ]

Энтропийный подход к броуновскому движению был первоначально предложен Р. М. Нойманом. [6] [12] Нейман вывел энтропийную силу для частицы, совершающей трехмерное броуновское движение, используя уравнение Больцмана , обозначив эту силу как диффузионную движущую силу или радиальную силу . В статье показаны три примера систем, демонстрирующих такую ​​силу:

  • электростатическая система из расплавленной соли
  • поверхностное натяжение и
  • Эластичность резины .

Полимеры [ править ]

Основная статья: Идеальная цепочка

Стандартный пример энтропийной силы - эластичность свободно соединенной молекулы полимера . [12] Для идеальной цепи максимизация энтропии означает уменьшение расстояния между двумя свободными концами. Следовательно, сила, которая имеет тенденцию к сжатию цепи, прилагается идеальной цепью между двумя ее свободными концами. Эта энтропийная сила пропорциональна расстоянию между двумя концами. [11] [13] Энтропийная сила свободно соединенной цепи имеет очевидное механическое происхождение и может быть вычислена с использованием ограниченной лагранжевой динамики. [14]

Гидрофобная сила [ править ]

Смотрите также: Гидрофобный эффект § Причина
Капли воды на поверхности травы.

Другой пример энтропийной силы - гидрофобная сила. При комнатной температуре это частично происходит из-за потери энтропии трехмерной сеткой молекул воды, когда они взаимодействуют с молекулами растворенного вещества . Каждая молекула воды способна

  • отдавая две водородные связи через два протона
  • принятие еще двух водородных связей через две sp 3 -гибридизованные неподеленные пары

Следовательно, молекулы воды могут образовывать протяженную трехмерную сеть. Введение поверхности, не связывающей водородные связи, разрушает эту сеть. Молекулы воды перестраиваются вокруг поверхности, чтобы минимизировать количество разорванных водородных связей. Это контрастирует с фтористым водородом (который может принимать 3, но отдавать только 1) или аммиаком (который может отдавать 3, но принимает только 1), которые в основном образуют линейные цепи.

Если бы введенная поверхность имела ионную или полярную природу, там были бы молекулы воды, стоящие вертикально на 1 (вдоль оси орбитали для ионной связи) или 2 (вдоль результирующей оси полярности) четырех sp 3 орбиталей. [15] Эти ориентации допускают легкое движение, то есть степени свободы, и, таким образом, минимально понижают энтропию. Но поверхность умеренной кривизны, не связывающая водородные связи, заставляет молекулу воды плотно сидеть на поверхности, распространяя 3 водородные связи по касательной к поверхности, которые затем замыкаются в клатрат.-подобная форма корзины. Молекулы воды, вовлеченные в эту клатратоподобную корзину вокруг поверхности, не связывающей водородные связи, ограничены в своей ориентации. Таким образом, энтропийно благоприятствует любое событие, которое минимизирует такую ​​поверхность. Например, когда две такие гидрофобные частицы подходят очень близко, клатратоподобные корзины, окружающие их, сливаются. Это высвобождает часть молекул воды в объем воды, что приводит к увеличению энтропии.

Другой связанный и противоречащий интуиции пример энтропийной силы - это сворачивание белка , которое является спонтанным процессом и в котором также играет роль гидрофобный эффект. [16] Структуры водорастворимых белков обычно имеют ядро, в котором гидрофобные боковые цепи скрыты от воды, что стабилизирует сложенное состояние. [17] Заряженные и полярные боковые цепи расположены на открытой поверхности, где они взаимодействуют с окружающими молекулами воды. Сведение к минимуму количества гидрофобных боковых цепей, подверженных воздействию воды, является основной движущей силой процесса сворачивания, [17] [18] [19]хотя образование водородных связей внутри белка также стабилизирует структуру белка. [20] [21]

Коллоиды [ править ]

Энтропийные силы являются важными и широко распространены в физике коллоидов , [22] , где они несут ответственность за истощение силы , и упорядочение твердых частиц, такие как кристаллизация твердых сфер, в isotropic- нематического перехода в жидкокристаллических фазах трудно стержней и упорядочением твердых многогранников. [22] [23] Из-за этого энтропийные силы могут быть важным двигателем самосборки [22]

Энтропийные силы возникают в коллоидных системах из-за осмотического давления , возникающего в результате скопления частиц. Это было впервые обнаружено и наиболее интуитивно понятно для смесей коллоид-полимер, описываемых моделью Асакуры – Оосавы.. В этой модели полимеры аппроксимируются как сферы конечного размера, которые могут проникать друг в друга, но не могут проникать через коллоидные частицы. Неспособность полимеров проникать в коллоиды приводит к образованию области вокруг коллоидов, в которой плотность полимера снижается. Если области пониженной плотности полимера вокруг двух коллоидов перекрываются друг с другом за счет приближения коллоидов друг к другу, полимеры в системе получают дополнительный свободный объем, равный объему пересечения областей пониженной плотности. Дополнительный свободный объем вызывает увеличение энтропии полимеров и заставляет их образовывать локально плотно упакованные агрегаты. Аналогичный эффект наблюдается в достаточно плотных коллоидных системах без полимеров, где осмотическое давление также управляет локальной плотной упаковкой.[22] коллоидов в разнообразный массив структур [23], которые могут быть рационально сконструированы путем изменения формы частиц. [24] Эти эффекты для анизотропных частиц называются направленными энтропийными силами. [25] [26]

Спорные примеры [ править ]

Утверждалось, что некоторые силы, которые обычно считаются обычными силами , на самом деле имеют энтропийную природу. Эти теории остаются спорными и являются предметом постоянной работы. Мэтт Виссер , профессор математики Университета Виктории в Веллингтоне, Новая Зеландия, в статье «Консервативные энтропийные силы» [27] критикует отдельные подходы, но в целом заключает:

Нет никаких разумных сомнений относительно физической реальности энтропийных сил, и нет никаких разумных сомнений в том, что классическая (и полуклассическая) общая теория относительности тесно связана с термодинамикой. Основываясь на работе Якобсона, Тану Падманабхана и других, есть также веские основания подозревать, что термодинамическая интерпретация полностью релятивистских уравнений Эйнштейна возможна.

Гравитация [ править ]

Основная статья: Энтропийная гравитация

В 2009 году Эрик Верлинде утверждал, что гравитацию можно объяснить энтропийной силой. [7] Он утверждал (аналогично результату Якобсона), что гравитация является следствием «информации, связанной с положением материальных тел». Эта модель сочетает в себе термодинамический подход к гравитации с Жераром т'Хоофта 's голографического принципа . Это означает, что гравитация - это не фундаментальное взаимодействие , а возникающее явление . [7]

Другие силы [ править ]

В результате обсуждения начатого Верлинды, энтропийные объяснения других фундаментальных сил, было предложены [27] , включая закон Кулона , [28] [29] [30] в электрослабых и сильных силах . [31] Тот же подход использовался для объяснения темной материи , темной энергии и эффекта Пионера . [32]

Ссылки на адаптивное поведение [ править ]

Утверждалось, что причинные энтропийные силы приводят к спонтанному появлению использования инструментов и социального сотрудничества. [33] [34] [35] Причинные энтропийные силы по определению максимизируют производство энтропии между настоящим и будущим временным горизонтом, а не просто жадно максимизируют мгновенное производство энтропии, как типичные энтропийные силы.

Формальная одновременная связь между математической структурой обнаруженных законов природы, интеллекта и энтропийными мерами сложности была ранее отмечена в 2000 году Андреем Соклаковым [36] [37] в контексте принципа бритвы Оккама .

См. Также [ править ]

  • Коллоиды
  • Наномеханика
  • Сила Абрахама – Лоренца
  • Энтропийная гравитация
  • Энтропия
  • Введение в энтропию
  • Энтропийная эластичность идеальной цепи
  • Радиация Хокинга
  • Кластеризация данных
  • Сила истощения
  • Случайное блуждание с максимальной энтропией

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мюллер, Инго (2007). История термодинамики: Доктрина энергии и энтропии . Springer Science & Business Media. п. 115. ISBN 978-3-540-46227-9.
  2. ^ Роос, Нико (2014). «Энтропийные силы в броуновском движении». Американский журнал физики . 82 (12): 1161–1166. arXiv : 1310.4139 . Bibcode : 2014AmJPh..82.1161R . DOI : 10.1119 / 1.4894381 . ISSN 0002-9505 . S2CID 119286756 .  
  3. ^ Бреслер SE и Ерусалимский BL, Физика и химия макромолекул, Наука, М.-Л., 1965, с.42
  4. ^ Виленчик Лев З., «Квинтэссенция: термодинамический подход к явлениям природы», Nova Science Publishers, NY, (2016), стр.25 ISBN 978-1536122435 ISBN 1536122432   
  5. ^ Vilenchik Lev Z., «Энтропическое Сущность природы», Международный журнал теоретической физики нелинейной оптики и теория групп, Volume 17, Number 4, стр. 295-307, (2017)
  6. ^ а б Нойман Р.М. (1980). «Энтропийный подход к броуновскому движению». Американский журнал физики . 48 (5): 354–357. arXiv : 1310.4139 . Bibcode : 1980AmJPh..48..354N . DOI : 10.1119 / 1.12095 .
  7. ^ a b c Верлинде, Эрик (2011). «О происхождении гравитации и законах Ньютона». Журнал физики высоких энергий . 2011 (4): 29. arXiv : 1001.0785 . Bibcode : 2011JHEP ... 04..029V . DOI : 10.1007 / JHEP04 (2011) 029 . S2CID 3597565 . 
  8. ^ Мах, Эрнст (1909). Механика .
  9. ^ Хокинг, Стивен ; Эллис, Джордж Фрэнсис Рейнер (1973). Крупномасштабная структура пространства-времени . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521200165.
  10. ^ Vilenchik, Lev Z. (2018). «Сосуществование ближнего и дальнего действия при взаимодействии материальных объектов и фазовых переходах» . Журнал естествознания и устойчивых технологий (JNSST) . 12 (2): 131-139.
  11. ^ a b c Тейлор; Табачник (2013). «Энтропийные силы - соединение механики и термодинамики в точно решаемой модели». Европейский журнал физики . 34 (3): 729–736. Bibcode : 2013EJPh ... 34..729T . DOI : 10.1088 / 0143-0807 / 34/3/729 .
  12. ^ а б Нойман Р.М. (1977). «Энтропия одиночной гауссовой макромолекулы в невзаимодействующем растворителе». Журнал химической физики . 66 (2): 870–871. Bibcode : 1977JChPh..66..870N . DOI : 10.1063 / 1.433923 .
  13. ^ Смит, SB; Finzi, L; Бустаманте, С. (1992). «Прямые механические измерения эластичности отдельных молекул ДНК с помощью магнитных шариков». Наука . 258 (5085): 1122–6. Bibcode : 1992Sci ... 258.1122S . DOI : 10.1126 / science.1439819 . PMID 1439819 . 
  14. ^ Уотерс, Джеймс Т .; Ким, Гарольд Д. (18 апреля 2016 г.). «Распределение силы в полужесткой петле» . Physical Review E . 93 (4): 043315. arXiv : 1602.08197 . Bibcode : 2016PhRvE..93d3315W . DOI : 10.1103 / PhysRevE.93.043315 . PMC 5295765 . PMID 27176436 .  
  15. ^ Энциклопедия науки о жизни Статья о гидрофобном эффекте; См. Рисунок 4: «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 22 декабря 2014 года . Проверено 10 апреля 2012 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  16. ^ «Основная биохимия» .
  17. ^ a b Pace CN, Shirley BA, McNutt M, Gajiwala K (1 января 1996 г.). «Силы, способствующие конформационной стабильности белков». FASEB J . 10 (1): 75–83. DOI : 10.1096 / fasebj.10.1.8566551 . PMID 8566551 . 
  18. ^ Compiani M, Capriotti E (декабрь 2013). «Вычислительные и теоретические методы сворачивания белков» (PDF) . Биохимия . 52 (48): 8601–24. DOI : 10.1021 / bi4001529 . PMID 24187909 . Архивировано из оригинального (PDF) 04.09.2015.  
  19. ^ Callaway, Дэвид JE (1994). «Организация, индуцированная растворителем: физическая модель сворачивания миоглобина». Белки: структура, функции и биоинформатика . 20 (1): 124–138. arXiv : cond-mat / 9406071 . Bibcode : 1994 second.mat..6071C . DOI : 10.1002 / prot.340200203 . PMID 7846023 . S2CID 317080 .  
  20. ^ Rose GD, Fleming PJ, Banavar JR, Maritan A (2006). «Основанная на позвоночнике теория сворачивания белка» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 103 (45): 16623–33. Bibcode : 2006PNAS..10316623R . DOI : 10.1073 / pnas.0606843103 . PMC 1636505 . PMID 17075053 .  
  21. ^ Джеральд Карп (2009). Клеточная и молекулярная биология: концепции и эксперименты . Джон Вили и сыновья. С. 128–. ISBN 978-0-470-48337-4.
  22. ^ a b c d ван Андерс, Грег; Клоца, Дафна; Ахмед, Н. Халид; Энгель, Майкл; Глотцер, Шэрон К. (2014). «Понимание энтропии формы через локальную плотную упаковку» . Proc Natl Acad Sci USA . 111 (45): E4812 – E4821. arXiv : 1309.1187 . Bibcode : 2014PNAS..111E4812V . DOI : 10.1073 / pnas.1418159111 . PMC 4234574 . PMID 25344532 .  
  23. ^ a b Damasceno, Pablo F .; Энгель, Майкл; Глотцер, Шэрон К. (2012). «Прогнозирующая самосборка многогранников в сложные структуры». Наука . 337 (6093): 453–457. arXiv : 1202.2177 . Bibcode : 2012Sci ... 337..453D . DOI : 10.1126 / science.1220869 . PMID 22837525 . S2CID 7177740 .  
  24. ^ ван Андерс, Грег; Ахмед, Н. Халид; Смит, Росс; Энгель, Майкл; Глотцер, Шэрон К. (2014). «Энтропически пятнистые частицы: инженерная валентность через энтропию формы». САУ Нано . 8 (1): 931–940. arXiv : 1304,7545 . DOI : 10.1021 / nn4057353 . PMID 24359081 . S2CID 9669569 .  
  25. ^ Дамаскено, Пабло Ф .; Энгель, Майкл; Глотцер, Шэрон К. (2012). «Кристаллические сборки и плотнейшие упаковки семейства усеченных тетраэдров и роль направленных энтропийных сил». САУ Нано . 6 (1): 609–14. arXiv : 1109.1323 . DOI : 10.1021 / nn204012y . PMID 22098586 . S2CID 12785227 .  
  26. ^ ван Андерс, Грег; Ахмед, Н. Халид; Смит, Росс; Энгель, Майкл; Глотцер, Шэрон К. (2014). «Энтропически пятнистые частицы: инженерная валентность через энтропию формы». САУ Нано . 8 (1): 931–940. arXiv : 1304,7545 . DOI : 10.1021 / nn4057353 . PMID 24359081 . S2CID 9669569 .  
  27. ^ a b Виссер, Мэтт (2011). «Консервативные энтропийные силы». Журнал физики высоких энергий . 2011 (10): 140. arXiv : 1108.5240 . Bibcode : 2011JHEP ... 10..140V . DOI : 10.1007 / JHEP10 (2011) 140 . S2CID 119097091 . 
  28. ↑ Ван, Башня (2010). «Кулоновская сила как энтропийная сила». Physical Review D . 81 (10): 104045. arXiv : 1001.4965 . Bibcode : 2010PhRvD..81j4045W . DOI : 10.1103 / PhysRevD.81.104045 . S2CID 118545831 . 
  29. ^ Ди Каприо, Д .; Badiali, JP; Головко, М. (2008). «Простой теоретико-полевой подход кулоновских систем. Энтропийные эффекты». arXiv : 0809.4631 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  30. ^ Хенди, SH; Шейхи, А. (2012). «Энтропийные поправки к закону Кулона». Международный журнал теоретической физики . 51 (4): 1125–1136. arXiv : 1009,5561 . Bibcode : 2012IJTP ... 51.1125H . DOI : 10.1007 / s10773-011-0989-2 . S2CID 118849945 . 
  31. Перейти ↑ Freund, Peter GO (2010). «Эмерджентные калибровочные поля». arXiv : 1008,4147 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  32. ^ Чанг, Чжэ; Ли, Мин-Хуа; Ли, Синь (2011). «Объединение темной материи и темной энергии в модифицированной модели энтропийной силы». Сообщения по теоретической физике . 56 (1): 184–192. arXiv : 1009.1506 . Bibcode : 2011CoTPh..56..184C . DOI : 10.1088 / 0253-6102 / 56/1/32 . S2CID 119312663 . 
  33. ^ Wissner-Gross, AD ; Фриер, CE (2013). «Причинно-энтропийные силы» (PDF) . Письма с физическим обзором . 110 (16): 168702. Bibcode : 2013PhRvL.110p8702W . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.110.168702 . PMID 23679649 .  
  34. ^ Canessa, E. (2013). "Комментарий к Phys. Rev. Lett. 110, 168702 (2013): Причинно-энтропийные силы". arXiv : 1308,4375 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  35. ^ Kappen, HJ (2013). «Комментарий: Причинные энтропийные силы». arXiv : 1312.4185 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  36. ^ Soklakov, А. Н. (2000). «Бритва Оккама как формальная основа физической теории». arXiv : math-ph / 0009007 . Bibcode : 2000math.ph ... 9007S . Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{цитировать журнал | url =
  37. ^ Soklakov, А. Н. (2000). «Анализ сложности алгоритмически простых строк». arXiv : cs / 0009001 . Bibcode : 2000cs ........ 9001S . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )