[论文解读] 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 5

一句话总结

本文利用主方程构建比较热力学框架，分析准稳态（QSS）与开放驱动非平衡稳态（NESS）中的热量耗散与熵产生。结果表明，NESS中的热量耗散对应于维持化学势梯度（如ATP/ADP/Pi）所需的最小功，且NESS中的熵产生率等于相应QSS中自由能的减少率，揭示了在Clausius与Kelvin视角下热力学行为的根本差异。

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:

研究动机与目标

• 建立驱动化学系统中QSS与NESS的比较热力学理论。
• 阐明开放系统与闭合系统中能量转换与热量耗散的热力学差异。
• 通过相对熵变化识别NESS中“维持功”热量的作用。
• 探究尽管动力学参数相同，NESS与QSS在熵产生与能量耗散上的差异。
• 揭示驱动系统中自组织现象背后的新型热力学原理。

提出的方法

• 采用主方程形式化方法，模拟具有恒定化学势差的驱动化学反应。
• 在相同动力学参数下，比较QSS（闭合系统，浓度固定）与NESS（开放系统，通量持续）的特性。
• 推导NESS中的熵产生率，并将其与相应QSS中自由能减少率关联。
• 应用相对熵变化率的非负性，定义NESS中的“维持功”热量。
• 分析非平衡系统中Clausius与Kelvin视角在热力学上的一致性。
• 通过马达蛋白系统实例说明结果，以模拟ATP水解与能量转换过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 当动力学参数相同时，QSS与NESS中的热量耗散有何差异？
• RQ2 从外部做功需求的角度看，NESS中耗散的热量具有何种热力学意义？
• RQ3 NESS中的熵产生率与相应QSS中自由能减少率之间有何关系？
• RQ4 相对熵变化率在定义NESS中“维持功”热量时起什么作用？
• RQ5 在驱动系统中，Clausius与Kelvin视角对非平衡热力学的比较如何？

主要发现

• NESS中耗散的热量即为维持化学势梯度（如ATP、ADP与Pi浓度）所需的最小功。
• NESS中的熵产生率等于闭合系统中相应QSS的自由能减少率。
• 相对熵变化率的非负性导出了NESS中“维持功”热量的概念。
• 尽管动力学参数相同，QSS与NESS在热力学行为上仍表现出显著差异，尤其体现在能量耗散与熵产生方面。
• 该理论揭示了驱动系统中自组织现象的新热力学要素，凸显了闭合系统与开放系统非平衡态之间的差异。