NichtGleichgewichtsdynamik

Nichtgleichgewicht bezeichnet einen Zustand eines physikalischen Systems, in dem die makroskopischen Eigenschaften nicht durch eine einzige Gleichgewichtverteilung beschrieben werden und zeitliche Änderungen auftreten. Im Gegensatz zum thermischen Gleichgewicht zeigen Temperatur- und Konzentrationsgradienten sowie Flüsse von Wärme, Materie oder Energie. Nichtgleichgewichtszustände treten oft in offenen Systemen auf, die Energie oder Materie austauschen.

Man unterscheidet nahe dem Gleichgewicht (linearer Transport- oder Reaktionsbereich) von weit davon entfernten Zuständen. In der Nähe des Gleichgewichts lassen sich Theorien der linearen Reaktions- und Transporttheorie anwenden. Abseits davon dominiert oft komplexes, nichtlineares Verhalten, Entropieproduktion und selbstorganisierte Strukturen, sogenannte dissipative Strukturen.

Mathematische Beschreibungen umfassen die Boltzmann-Gleichung für Gas- oder Transportprozesse, Master- oder Fokker-Planck-Gleichungen für stochastische Systeme sowie Prinzipien der Entropieproduktion. Theoretiker wie Onsager, Prigogine und andere haben Modelle entwickelt, um Nichtgleichgewichtsprozesse zu formalisieren und zu verstehen.

Anwendungen finden sich in Wärmeübertragung, Chemie- und Reaktionskinetik, Materialwissenschaft, Biologie und Ökologie. Lebende Systeme arbeiten kontinuierlich in Nichtgleichgewicht, indem sie Energiezufuhr nutzen, um Funktionen aufrechtzuerhalten.