비평형열역학

비평형 열역학(영어: Non-equilibrium thermodynamics)은 열역학적 평형에 있지 않지만 열역학에서 시스템을 지정하는 데 사용되는 변수의 외삽을 나타내는 거시적 양(비평형 상태 변수)으로 설명할 수 있는 물리적 시스템을 다루는 열역학의 한 분야이다. 평형, 비평형 열역학은 수송 과정과 화학 반응 속도와 관련이 있다.

자연에서 발견되는 거의 모든 시스템은 열역학적 평형 상태에 있지 않다. 그 이유는 시간이 지남에 따라 변화하거나 변화하도록 촉발될 수 있고 다른 시스템과 화학 반응 사이의 물질 및 에너지 흐름에 지속적이고 불연속적으로 영향을 받기 때문이다. 그러나 일부 시스템 및 프로세스는 유용한 의미에서 현재 알려진 비평형열역학에 의해 유용한 정확도로 설명할 수 있도록 열역학적 평형에 충분히 가깝다. 그럼에도 불구하고 많은 자연계와 과정은 자유 에너지의 개념이 손실되는 비변동 역학의 존재로 인해 항상 비평형열역학적 방법의 범위를 훨씬 넘어 유지된다.^[1]

비평형 시스템의 열역학적 연구는 평형열역학에서 다루는 것보다 더 일반적인 개념을 필요로 한다.^[2] 평형열역학과 비평형열역학 사이의 근본적인 차이점 중 하나는 불균일 시스템의 거동에 있으며, 이는 균질 시스템의 평형 열역학에서 고려되지 않는 반응 속도에 대한 연구 지식을 필요로 한다. 이에 대해서는 아래에서 설명한다. 또 다른 근본적이고 매우 중요한 차이점은 일반적으로 열역학적 평형이 아닌 시스템에 대한 거시적 용어로 한 순간의 엔트로피를 정의하는 것이 어렵거나 불가능하다는 것이다. 그것은 신중하게 선택된 특별한 경우, 즉 국부적 열역학적 평형에 있는 경우에만 유용한 근사값으로 수행될 수 있다.^[3][4]

평형열역학은 물리적 과정의 시간 경과를 무시한다. 대조적으로, 비평형열역학은 시간 경과를 연속적으로 자세히 설명하려고 시도한다.

평형열역학은 열역학적 평형의 초기 및 최종 상태를 갖는 프로세스에 대한 고려를 제한한다. 프로세스의 시간 과정은 의도적으로 무시된다. 결과적으로 평형열역학은 온도 및 압력의 시간 변화율과 같은 비평형열역학^[5]에 대해 허용된 변수로도 설명할 수 없는 열역학적 평형에서 멀리 떨어진 상태를 통과하는 과정을 허용한다.^[6] 예를 들어, 평형열역학에서 프로세스는 비평형열역학으로 설명할 수 없는 격렬한 폭발을 포함할 수 있다.^[5] 그러나 평형열역학은 이론적 개발을 위해 "준정적 과정"의 이상화된 개념을 사용한다. 준정적 과정은 열역학적 평형 상태의 연속 경로를 따라 개념적(시간을 초월하고 물리적으로 불가능한) 부드러운 수학적 경로이다.^[7] 현실에서 일어날 수 있는 과정이라기 보다는 미분기하학에서의 연습이다.

반면에 비평형열역학은 연속적인 시간 과정을 설명하기 위해 상태 변수가 평형열역학의 상태 변수와 매우 밀접한 관련이 있어야 한다.^[8] 이것은 비평형열역학의 범위를 크게 제한하고 개념적 틀에 많은 요구를 한다.

같이 보기

• 시간 결정
• 자기조직화
• 볼츠만 운송 방정식
• 맥스웰의 도깨비
• 자발 대칭 깨짐
• 자기생산

각주

1. Bodenschatz, Eberhard; Cannell, David S.; de Bruyn, John R.; Ecke, Robert; Hu, Yu-Chou; Lerman, Kristina; Ahlers, Guenter (December 1992). “Experiments on three systems with non-variational aspects”. 《Physica D: Nonlinear Phenomena》 61 (1–4): 77–93. Bibcode:1992PhyD...61...77B. doi:10.1016/0167-2789(92)90150-L.
2. Pokrovskii, Vladimir (2020). 《Thermodynamics of Complex Systems: Principles and applications.》 (영어). IOP Publishing, Bristol, UK.
3. Grandy, W.T., Jr (2008).
4. Lebon, G., Jou, D., Casas-Vázquez, J. (2008). Understanding Non-equilibrium Thermodynamics: Foundations, Applications, Frontiers, Springer-Verlag, Berlin, e-ISBN 978-3-540-74252-4.
5. Lieb, E.H., Yngvason, J. (1999), p. 5.
6. Gyarmati, I. (1967/1970), pp. 8–12.
7. Callen, H.B. (1960/1985), § 4–2.
8. Glansdorff, P., Prigogine, I. (1971), Ch. II,§ 2.