[論文レビュー] Heat Dissipation and Nonequilibrium Thermodynamics of Quasi-Steady States and Open Driven Steady State

Hao Ge, Hong Qian|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2011

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、マスター方程式を用いた比較的熱力学的枠組みを構築し、準定常状態（QSS）および開放駆動非平衡定常状態（NESS）における熱放出とエントロピー生成を分析する。NEASSにおける熱放出は、化学ポテンシャル勾配を維持するために必要な最小仕事に対応し、NESSにおけるエントロピー生成は、対応するQSSにおける自由エネルギーの減少に等しくなることが示され、クライゼウスとケルビンの観点からの熱力学的挙動の根本的差異が明らかになる。

ABSTRACT

We develop a comparative thermodynamic theory, based on master-equation description of driven chemical reactions, for quasi-steady-state (QSS) and open-system nonequilibrium steadystate (NESS) sustained by chemical potential difference. The two processes have identical kinetics but different thermodynamics: Using motor protein as an example, we find that the difference in heat dissipation is the minimum work that needed for an external energy regenerating system that keeps the NESS (e.g., sustains constant concentrations of ATP, ADP and Pi). The entropy production rate in the NESS equals to the rate of decreasing free energy in the QSS of the corresponding closed system. For systems approaching an NESS, the non-negativity of the rate of relative entropy change gives rise to the concept of housekeeping heat. This theory shows consistency and contradistinctions in thermodynamics of energy transduction and heat dissipation in the two different perspectives of nonequilibrium systems, ` la Clausius and Kelvin. Furthermore, it suggests new thermodynamic ingredients of self-organization in driven systems. PACS numbers:

研究の動機と目的

• 駆動化学系におけるQSSとNESSの比較的熱力学理論を確立すること。
• 閉じた系と開放系におけるエネルギー変換と熱放出の熱力学的差異を明確にすること。
• 相対エントロピー変化を介してNESSにおけるハウスキーピング熱の役割を特定すること。
• 同一の動力学的条件下でも、NESSとQSSがエントロピー生成およびエネルギー散逸においてどのように異なるかを明らかにすること。
• 駆動系における自己組織化を支える新しい熱力学的原理を解明すること。

提案手法

• 一定の化学ポテンシャル差を持つ駆動反応をモデル化するためのマスター方程式形式を用いる。
• 同一の動力学的パラメータ下で、固定濃度を有する閉じた系（QSS）と持続的フラックスを持つ開放系（NESS）を比較する。
• NESSにおけるエントロピー生成率を導出し、対応するQSSにおける自由エネルギー減少率と関連付ける。
• 相対エントロピー変化率の非負性を応用して、NESSにおけるハウスキーピング熱の定義を導く。
• 非平衡系におけるクライゼウスとケルビンの観点の間の熱力学的一致性を分析する。
• モーターたんぱく質系を用いてATP加水分解とエネルギー変換をモデル化し、結果を図示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動力学が同一である場合、QSSとNESSにおける熱放出はどのように異なるか？
• RQ2 NESSにおける放出される熱の熱力学的意味は、外部仕事要件としてどのように解釈できるか？
• RQ3 NESSにおけるエントロピー生成率は、対応するQSSにおける自由エネルギー減少率とどのように関係するか？
• RQ4 相対エントロピー変化率の時間変化が、NESSにおけるハウスキーピング熱の定義に果たす役割は何か？
• RQ5 駆動系における非平衡熱力学において、クライゼウスとケルビンの観点はどのように比較できるか？

主な発見

• NESSにおける熱放出は、ATP、ADP、Piの濃度勾配を維持するために必要な最小仕事に等しい。
• NESSにおけるエントロピー生成率は、閉じた系の対応するQSSにおける自由エネルギー減少率に等しい。
• 相対エントロピー変化率の非負性から、NESSにおけるハウスキーピング熱の概念が導かれる。
• 同一の動力学的条件下でも、QSSとNESSはエネルギー散逸およびエントロピー生成において顕著に異なる熱力学的挙動を示す。
• 理論により、駆動系における自己組織化を支える新しい熱力学的要因が明らかになり、閉じた系と開放系の非平衡状態の差異が強調される。