nichtgleichgewichtige

Nichtgleichgewichtige bezeichnet Zustände oder Prozesse, die nicht im thermodynamischen Gleichgewicht stehen. Im Gleichgewicht sind makroskopische Größen zeitinvariant und die mikroskopischen Zustände erfüllen das Prinzip des detaillierten Gleichgewichts. Nichtgleichgewichtige Systeme zeigen dagegen fortlaufende Flüsse von Energie oder Materie mit ihrer Umgebung, wodurch sich Eigenschaften im Zeitverlauf ändern, solange äußere Treibkräfte vorhanden sind.

Ein wichtiger Begriff ist der Nicht-Gleichgewichtszustand, insbesondere der Zustand mit stationären Flüssen (nicht-Gleichgewichtszustand, Non-Equilibrium Steady State, NESS). In einem NESS bleiben makroskopische Größen konstant, obwohl kontinuierliche Flüsse vorhanden sind. Beispiele finden sich in offenen chemischen Reaktoren, biologischen Zellen, Ökosystemen und der Erdatmosphäre. Far from equilibrium zeigen sich Musterbildung, dissipative Strukturen und komplexe Dynamik, wenn Systeme externen Antrieben oder starken Kopplungen ausgesetzt sind.

Mathematisch werden solche Systeme oft durch Reaktions-Diffusions- oder Mastergleichungen beschrieben. Die Nichtgleichgewichtsthermodynamik befasst sich mit Entropieproduktion, Fluktuationen und Flussbeziehungen; nahe dem Gleichgewicht gelten Onsager-Reziprozitätsbeziehungen, weiter davon weichen sie ab. Nichtgleichgewichtige Prozesse erklären, wie Systeme Energie aus der Umgebung nutzen, um Strukturen aufrechtzuerhalten, Funktionen zu erfüllen oder dynamische Zustände zu erzeugen. Die Konzepte spielen eine zentrale Rolle in Chemie, Biologie, Klima- und Materialwissenschaften.