Почему система должна находиться в самом низком энергетическом состоянии для ее стабильности?

Чтобы ответить на ваш вопрос, вы должны сначала понять, когда система наиболее стабильна .

Во-первых, он не должен иметь тенденции к перемещению или изменению состояния, поэтому он должен находиться в условиях равновесия, т.е. результирующая Сила должна быть равна нулю.

Мы знаем это

Во-вторых, он должен быть способен сам поддерживать это состояние равновесия. Это можно проверить, сдвинув систему на небольшое расстояние.$\delta x$. Если сила, действующая на систему, становится противоположной направлению$\delta x$можно сказать, что система имеет тенденцию возвращаться в исходное положение равновесия.
Примером этого может быть мяч, удерживаемый на дне сферической долины. Сместите мяч немного вправо, и чистая сила, действующая на него, действует влево, возвращая его в исходное положение. Вы понимаете, что я только что описал состояние устойчивого равновесия. Это доказывает, что это состояние устойчивого равновесия, при котором система наиболее устойчива .

Из вышеприведенного описания имеем, что малый водоизмещение$\delta x$и чистая дополнительная сила$\delta F$должны быть в противоположных направлениях

что дает условие устойчивости

что подразумевает

От$(1)$и$(2)$видно, что график$U$должен иметь минимумы в состоянии стабильного равновесия, т.е. Потенциальная энергия должна быть минимальной, когда система достигает максимальной устойчивости.

Примерно: потому что$F=-\overrightarrow\nabla U$, с$U$некоторая потенциальная энергия (может быть эффективной потенциальной энергией). Тогда, если вы не находитесь в минимальном потенциале, ваша система не находится в равновесии.

Редактировать: вы видите, что 1. и 2. являются конюшнями равновесия? В химии ваша эффективная потенциальная энергия представляет собой некоторую функцию, называемую свободной энергией Гиббса .

Система, которая находится в тепловом контакте с окружающей средой, будет стремиться как к состоянию с более низкой энергией, так и к состоянию с более высокой энтропией. По сути, энергия системы + окружающей среды фиксирована , но энергия будет течь между ними до тех пор, пока они не окажутся в состоянии максимальной энтропии.

Возможно, было бы более информативно спросить, почему системы имеют тенденцию к увеличению энтропии. Что происходит, так это то, что все состояния, которые система + окружающая среда могут занимать с фиксированной полной энергией, имеют равную вероятность быть занятыми. Это называется основным постулатом статистической механики. Теперь существует много таких состояний, для которых система имеет какую-то определенную энергию$E$. Значение$E$то, что соответствует наибольшему количеству состояний, поэтому наиболее вероятно.

Попробую объяснить на классическом примере. Возьмем ситуации на картинке выше. То, что вас интересует, относится к первым кейсам. Неустойчивое состояние равновесия – это такое состояние, при котором при незначительном смещении шарика он отклоняется от исходного положения. Находясь на вершине холма, он имеет избыток потенциальной энергии (будь то гравитационной, электрической и т. д.), которую можно преобразовать в работу. Однако в устойчивом равновесии, сместив шарик, он всегда будет возвращаться в исходное положение. Он с самого начала находился в состоянии с минимальной энергией.

Что ж, химические реакции почти всегда требуют тепла (энергии) для протекания и почти всегда выделяют тепло при реакции, поэтому по этой логике состояние, когда элементы не могут продолжать реагировать, является состоянием с недостаточной энергией или, другими словами, с самой низкой энергией. состояние (или мы, вероятно, должны сказать «более низкое энергетическое состояние», чем то, которое требуется для реакций)

Разрешение (уменьшение) градиентов энергии для более низких реализованных потенциальных состояний — это то, что движет каждым процессом на многих уровнях, включая эволюцию. www.intothecool.com Вот очень крутая статья, которая показывает процесс в универсальной, биологической и социально-экономической областях. http://journals.cambridge.org/action/displayAbstract?fromPage=online&aid=185965

если вы осмотритесь, используя ограниченный поиск в Google для типа файла: pdf, вы можете найти его бесплатно.

При этом состояние с самым низким потенциалом, вероятно, представляет собой решетку с абсолютным нулем с совершенно изоморфным электромагнитным состоянием. Технически все, что меньше, чем вся материя, достигающая этого состояния, может быть просто локальной точкой равновесия, ожидающей более низкого (в более широком контексте) состояния, т. е. конечной тепловой смерти.