Nietevenwichtstoestanden

Niet-evenwichtstoestanden zijn toestanden van een fysisch systeem waarin de macrobeschrijvende grootheden tijdafhankelijk veranderen en waarin geen thermodynamisch evenwicht is bereikt. In een volledig geïsoleerd systeem evolueert het naar evenwicht door interne processen; in open systemen kunnen externe stromen van energie en materie het bereikt van evenwicht verhinderen. Niet-evenwichtstoestanden kenmerken zich door voortdurende fluxen, wat vaak gepaard gaat met verstoorde verdelingen en voortdurende entropieproductie.

Een belangrijke onderverdeling is die tussen niet-evenwichtstoestanden die tot een niet-evenwichtstoestand in steady-state leiden (non-equilibrium steady state, NESS) en toestanden die als ze worden verstoord weer evolueren naar een evenwichtstoestand. In een NESS blijven macrocopische grootheden constant ondanks aanhoudende energietoevoer en -afvoer of materiestromen.

Niet-evenwichtstoestanden ontstaan en worden in stand gehouden door verschillende mechanismen, zoals temperatuurverschillen tussen reservoirs, chemische potentiaalverschillen, elektrische velden of biologisch aangedreven processen. Ze komen voor in vele systemen: warmtegeleiding tussen twee reservoirten, chemische reactie-netwerken onder constante drijvende factoren, elektronische nanodevices en levende cellen die voortdurend energie gebruiken.

Theoretische beschouwing van niet-evenwichtstoestanden omvat onder meer de lineaire niet-evenwichtthermodynamica nabij het evenwicht, stochastische thermodynamica voor kleine systemen en fluctuatietheorieën die entropieproductie en reversibele werkverliezen beschrijven. Deze invalshoeken helpen begrip te krijgen van hoe systemen werken onder drijvende krachten en hoe efficiëntie, rendement en orde ontstaan buiten het evenwicht.