耗散、广义自由能与化学驱动开放子系统的自洽非平衡热力学
统计力学
2013-06-20 v3 生物物理
化学物理
摘要
处于持续有流入和流出环境中的系统的非平衡热力学，通常被当作一个更大、封闭的“宇宙”中的子系统来处理。对于这样一个开放驱动系统，其周围环境所需的最小描述是什么，从而使其非平衡热力学能够仅基于内部随机动力学建立起来，这仍是一个问题。我们利用对处于化学非平衡稳态（NESS，通过再生系统维持外部驱动）或准稳态（QSS，有过量ATP、ADP和Pi）的分子马达的研究洞见，为这一问题提供了解决方案。我们引入了关键概念——外部再生系统维持NESS所需的最小功W_min（例如，为分子马达维持ATP、ADP和Pi的恒定浓度）。利用马达蛋白的马尔可夫（主方程）描述，我们阐明NESS和QSS具有相同的动力学以及以相同正熵产生率表示的热力学第二定律。NESS与其对应QSS的热耗散之差恰好为W_min。这为引入理想外部再生系统提供了理由，并导出了NESS中的自由能平衡方程，即净自由能输入F_in与总耗散F_dis之间的关系：F_in由化学输入减去机械输出构成；F_dis由耗散热构成；有用能量转化为热的部分即为NESS熵产生。此外，我们证明对于非稳态系统，F_dis和F_in对应于随机热力学中的熵产生率和家务热，并将相对熵H识别为广义自由能。
引用
@article{arxiv.1106.2564,
title = {Dissipation, Generalized Free Energy, and a Self-consistent Nonequilibrium Thermodynamics of Chemically Driven Open Subsystems},
author = {Hao Ge and Hong Qian},
journal= {arXiv preprint arXiv:1106.2564},
year = {2013}
}
备注
9 pages, 1 figure. In Physical Review E, 2013