非平衡系统中的广义自由能与剩余/住院装配：从大偏差到热力学速度限制
统计力学
2026-04-10 v2 信息论
math.IT
摘要
在真正的非平衡系统中持续驱动，热力学力是非保守的，无法由自由能势描述。然而，我们展示了此类系统的动力学由一种“广义自由能”支配，而该广义自由能源于大偏差变分原理。这一变分原理还产生了对通量、力和耗散（熵产生）的分解，分为保守的“剩余”部分和非保守的“住院”部分。我们的分解适用于随机 master 方程、确定性化学反应网络和开放系统。我们还表明，剩余熵产生服从热力学速度限制（TSL），即状态演化和/或外部通量速率的基本热力学约束。我们在多个实例中演示了该方法，包括实际的代谢网络，从而推导出基本耗散界限并揭示“无意义”代谢循环。我们的广义自由能和分解在随机和确定性系统中均可被热力学推断所检测。我们讨论了与信息几何、奥斯特格理论以及先前剩余/住院分解等多个理论框架的重要联系。
引用
@article{arxiv.2412.08432,
title = {Generalized free energy and excess/housekeeping decomposition in nonequilibrium systems: from large deviations to thermodynamic speed limits},
author = {Artemy Kolchinsky and Andreas Dechant and Kohei Yoshimura and Sosuke Ito},
journal= {arXiv preprint arXiv:2412.08432},
year = {2026}
}