비평형열역학

비평형 열역학은 열역학적 평형 상태에 있지 않은 계(system)를 다루는 열역학의 한 분야이다. 고전 열역학이 평형 상태 또는 준정적 과정(quasi-static process)을 다루는 데 반해, 비평형 열역학은 시간적으로 변화하는 계, 즉 열, 물질, 전하 등이 흐르는 계를 기술한다.

주요 특징은 다음과 같다.

• 가역 과정과 비가역 과정: 고전 열역학은 주로 가역 과정을 다루지만, 비평형 열역학은 비가역 과정을 중심으로 다룬다. 비가역 과정은 엔트로피 생성(entropy generation)을 수반하며, 이는 계의 질서가 감소하는 방향으로 진행됨을 의미한다.

• 선형 비평형 열역학: 플랑크 상수보다 큰 거시적 계에 대한 근사적인 이론으로, 열 흐름, 확산, 화학 반응 등과 같은 현상을 다룬다. 이러한 현상들은 일반적으로 선형 관계로 표현되며, Onsager 상반 관계(Onsager reciprocal relations)를 통해 서로 연결될 수 있다.

• 확장된 비평형 열역학: 선형 이론의 한계를 극복하기 위해 개발된 이론으로, 비선형 효과와 급격한 변화를 고려한다. 복잡계, 생명 현상, 유체 역학 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.

• 최대 엔트로피 생성 원리: 일부 비평형 계는 최대 엔트로피 생성률을 갖는 상태로 진화한다는 가설이다. 이 원리는 자연 현상의 방향성을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 보편적으로 적용 가능한지는 논쟁의 여지가 있다.

비평형 열역학은 화학 반응, 생물학적 시스템, 기상 현상, 우주 진화 등 다양한 분야에 적용되며, 복잡계 과학의 중요한 기반을 제공한다.