[논문 리뷰] Heat Dissipation and Nonequilibrium Thermodynamics of Quasi-Steady States and Open Driven Steady State

Hao Ge, Hong Qian|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 13.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 주어진 화학적 위치 에너지 기울기(예: ATP/ADP/Pi 농도 기울기)를 유지하기 위해 필요한 최소 일의 측면에서, 정상 상태(Quasi-Steady State, QSS)와 개방형 구동된 비평형 정상 상태(Non-Equilibrium Steady State, NESS)에서의 열방출과 엔트로피 생성을 분석하기 위해 마스터 방정식을 사용하는 비교 열역학 프레임워크를 개발한다. 이는 NESS에서의 열방출이 화학적 위치 에너지 기울기를 유지하기 위해 필요한 최소 일과 일치하며, NESS에서의 엔트로피 생성은 해당 QSS에서의 자유 에너지 감소와 같음을 보여주며, 클라우지우스 및 킬빈 관점에서의 열역학적 행동의 근본적 차이를 드러낸다.

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:

연구 동기 및 목표

• 구동된 화학 시스템에서 QSS와 NESS의 비교 열역학 이론을 수립하기 위해.
• 폐쇄계와 개방계에서 에너지 변환과 열방출의 열역학적 차이를 명확히 하기 위해.
• 상대 엔트로피 변화를 통한 NESS에서의 하우스키핑 열의 역할을 규명하기 위해.
• 동일한 동역학 조건에서도 NESS와 QSS가 엔트로피 생성과 에너지 소산에서 어떻게 다를 수 있는지 탐구하기 위해.
• 구동된 시스템에서 자가조직화의 배경이 되는 새로운 열역학 원리를 밝혀내기 위해.

제안 방법

• 일정한 화학적 위치 에너지 기울기를 갖는 구동된 화학 반응을 기술하기 위해 마스터 방정식 형식을 사용한다.
• 동일한 동역학 파rameter를 갖는 QSS(고정된 농도를 갖는 폐쇄계)와 NESS(지속적인 유량을 갖는 개방계)를 비교한다.
• NESS에서의 엔트로피 생성률을 유도하고, 이와 해당 폐쇄계 QSS에서의 자유 에너지 감소률과 연관시킨다.
• 상대 엔트로피 변화률의 비음성 조건을 적용하여 NESS에서의 하우스키핑 열을 정의한다.
• 비평형 시스템에서 클라우지우스 및 킬빈 관점 간의 열역학 일관성을 분석한다.
• 모터 단백질 시스템을 활용하여 ATP 수해와 에너지 변환을 모델링함으로써 결과를 시각화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 동역학 조건에서 QSS와 NESS 간의 열방출은 어떻게 다를까?
• RQ2 외부 일의 요구 조건 측면에서 NESS에서 방출되는 열의 열역학적 의미는 무엇인가?
• RQ3 NESS에서의 엔트로피 생성률은 해당 QSS에서의 자유 에너지 감소률과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 상대 엔트로피 변화률은 NESS에서 하우스키핑 열을 정의하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 구동된 시스템에서 클라우지우스 및 킬빈 관점의 비평형 열역학은 어떻게 비교 가능한가?

주요 결과

• NESS에서 방출되는 열은 ATP, ADP, Pi 농도 기울기를 유지하기 위해 필요한 최소 일과 같다.
• NESS에서의 엔트로피 생성률은 해당 폐쇄계 QSS에서의 자유 에너지 감소률과 동일하다.
• 상대 엔트로피 변화률의 비음성 조건은 NESS에서 하우스키핑 열의 개념을 도출한다.
• 동일한 동역학 조건에서도 QSS와 NESS는 에너지 소산과 엔트로피 생성 측면에서 뚜렷한 열역학적 행동을 보인다.
• 이 이론은 구동된 시스템에서 자가조직화를 가능하게 하는 새로운 열역학적 요소를 드러내며, 폐쇄계와 개방계의 비평형 상태 간의 차이를 강조한다.