封闭化学反应网络热力学中开放结构的涌现

我们关注一个根本性问题：在何种条件下，开放化学反应网络(CRN)的动力学与热力学——基于理想化chemostat(选定物种交换)的概念——从底层封闭CRN中涌现出来？虽然开放CRN提供了描述非平衡化学系统的标准框架，但实际系统是有限的且最终趋于平衡，使这种描述概念上尚未解决。本文表明，开放CRN行为作为封闭CRN的渐近 regime出现，当满足两种最小且物理透明的条件时：一种时间尺度分离，使得快速反应有效充当交换机制；另一种丰度分离，使得一部分物种行为为具有发散化学容量的chemostat。 在此regime下，无论是随机动力学还是热力学结构——包括局部详细平衡、熵产生和自由能平衡——都可从底层封闭CRN中Leading order涌现出来。我们的结果适用于任意化学计量。它们表明，chemostat不必作为外部理想化假设被引入，而是作为封闭系统中涌现热力学结构出现，为CRN的非平衡热力学提供了统一且物理上扎实的基础。