Warum sollte ein System für seine Stabilität im niedrigsten Energiezustand sein?

Um Ihre Frage zu beantworten, sollten Sie zunächst verstehen, wann ein System am stabilsten ist .

Erstens sollte es keine Tendenz haben, sich zu bewegen oder den Zustand zu ändern, also sollte es unter Gleichgewichtsbedingungen sein, dh die Nettokraft sollte Null sein.

Wir wissen das

Zweitens sollte es in der Lage sein, diesen Gleichgewichtszustand selbst aufrechtzuerhalten. Dies kann getestet werden, indem das System um einen kleinen Abstand verschoben wird$\delta x$. Wenn die Kraft auf das System dann der Richtung von entgegengesetzt wird$\delta x$, können wir sagen, dass das System die Tendenz hat, in seine ursprüngliche Gleichgewichtsposition zurückzukehren.
Ein Beispiel hierfür wäre ein Ball, der am Boden eines kugelförmigen Tals gehalten wird. Verschieben Sie den Ball ein wenig nach rechts, und die Nettokraft auf ihn wirkt nach links und bringt ihn in seine ursprüngliche Position zurück. Sie werden erkennen, dass ich gerade einen stabilen Gleichgewichtszustand beschrieben habe. Dies beweist, dass es der stabile Gleichgewichtszustand ist, in dem das System am stabilsten ist .

Aus der obigen Beschreibung haben wir die kleine Verschiebung$\delta x$und netto zusätzliche Kraft$\delta F$sollten in entgegengesetzte Richtungen gehen

was als Stabilitätsbedingung angibt

was impliziert

Aus$(1)$Und$(2)$Es ist offensichtlich, dass der Graph von$U$sollte bei stabilen Gleichgewichtsbedingungen ein Minimum haben, dh die potentielle Energie sollte minimal sein, wenn ein System maximale Stabilität erreicht.

Grob: Weil$F=-\overrightarrow\nabla U$, mit$U$etwas potentielle Energie (könnte eine effektive potentielle Energie sein). Wenn Sie sich dann nicht in einem Minimum an Potenzial befinden, ist Ihr System nicht im Gleichgewicht.

Bearbeiten: Können Sie sehen, dass 1. und 2. Stallgleichgewicht sind?. Ich stelle fest, dass Ihre effektive potenzielle Energie eine Funktion ist, die Gibbs freie Energie genannt wird .

Ein System, das in thermischem Kontakt mit seiner Umgebung steht, tendiert sowohl zu einem niedrigeren Energiezustand als auch zu einem höheren Entropiezustand. Grundsätzlich ist die Energie des Systems + der Umgebung festgelegt , aber die Energie fließt zwischen den beiden, bis sie sich in einem Zustand maximaler Entropie befinden.

Es könnte informativer sein zu fragen, warum Systeme zu einer erhöhten Entropie neigen. Was passiert, ist, dass alle Zustände, die das System + die Umgebung mit fester Gesamtenergie einnehmen können, die gleiche Wahrscheinlichkeit haben, besetzt zu werden. Dies wird als grundlegendes Postulat der statistischen Mechanik bezeichnet. Nun gibt es viele solcher Zustände, für die das System eine bestimmte Energie hat$E$. Der Wert von$E$das der größten Anzahl von Staaten entspricht, ist daher am wahrscheinlichsten.

Ich versuche es anhand eines klassischen Beispiels zu erklären. Nehmen Sie die Situationen im Bild oben. Was Sie interessiert, sind die ersten Fälle. Der instabile Gleichgewichtszustand ist ein solcher Zustand, dass, wenn Sie den Ball leicht verschieben, er von der ursprünglichen Position abweicht. Da es sich auf der Spitze des Hügels befindet, hat es einen Überschuss an potenzieller Energie (sei es Gravitation, elektrische usw.), die in Arbeit umgewandelt werden kann. Im stabilen Gleichgewicht kehrt die Kugel jedoch durch Verschieben immer in ihre ursprüngliche Position zurück. Es war von Anfang an in einem Zustand mit minimaler Energie.

Nun, chemische Reaktionen erfordern fast immer Wärme (Energie), um stattzufinden, und setzen fast immer Wärme bei der Reaktion frei, so dass nach diesem logischen Zustand, wenn Elemente nicht weiter reagieren können, ein Zustand mit unzureichender Energie oder mit anderen Worten niedrigster Energie ist Zustand (oder wir sollten wahrscheinlich "niedrigeren Energiezustand" sagen als einen, der für Reaktionen erforderlich ist)

Das Auflösen (Abnehmen) von Energiegradienten zu niedrigeren realisierten Potentialzuständen ist das, was jeden Prozess auf vielen Ebenen antreibt, einschließlich der Evolution. www.intothecool.com Hier ist ein super cooles Papier, das den Prozess in universellen, biologischen und sozioökonomischen Bereichen zeigt. http://journals.cambridge.org/action/displayAbstract?fromPage=online&aid=185965

Wenn Sie sich mit einer eingeschränkten Google-Suche nach filetype:pdf umsehen, können Sie es kostenlos finden.

Davon abgesehen ist der niedrigste Potentialzustand wahrscheinlich ein Gitter am absoluten Nullpunkt mit einem perfekt isomorphen elektromagnetischen Zustand. Technisch gesehen ist alles andere als alle Materie, die diesen Zustand erreicht, nur ein lokaler Gleichgewichtspunkt, der auf einen niedrigeren (weiter kontextualisierten) Zustand wartet, dh den endgültigen Hitzetod.