各向异性温度场中的最小熵产生
统计力学
2022-10-04 v1 系统与控制
系统与控制
摘要
温度场、化学势与离子浓度梯度的各向异性为维持生命的动力学过程提供燃料。相应环境中的动力学流动会产生以熵产生形式表现的损耗。本工作中，我们考虑一个处于各向异性温度热浴中的过阻尼随机热力学系统的简化模型，并分析在有限时间内驱动系统于热力学态之间转移时最小化熵产生的问题。我们注意到，在完全各向同性温度场中，熵产生可表示为系统热力学态所遍历路径的Wasserstein-2长度。在各向异性温度场存在时，熵产生的机制要复杂得多，因为除耗散外，它还经由系统动力学导致环境热源之间的能量渗漏。我们证明，在此情形下，熵产生可表示为适当约束且广义的最优质量传输(OMT)问题的解。与标准OMT情形相反，即使热力学态保持不变，熵产生也可能不为零。在物理上，这是由于维持非平衡稳态(NESS)会产生内在的熵代价。如前所述，NESS是生命的标志，生命系统必然在非平衡状态下运作。因此，我们的最小熵产生问题在理解生物过程(如分子马达与马达蛋白)以及此类过程如何演化以优化资源利用方面显得至关重要。
引用
@article{arxiv.2210.01062,
title = {Minimal entropy production in anisotropic temperature fields},
author = {Olga Movilla Miangolarra and Amirhossein Taghvaei and Tryphon T. Georgiou},
journal= {arXiv preprint arXiv:2210.01062},
year = {2022}
}
备注
6 pages