Новая теория нелинейных диссипативных явлений
В двух недавно опубликованных исследованиях в журнале Physical Review Research учёные из Института промышленных наук Токийского университета продемонстрировали, что сложные нелинейные процессы химических реакций могут быть описаны путем преобразования задачи в двойственное геометрическое представление. «С нашей структурой мы можем распространить теории неравновесных систем с квадратичными функциями диссипации на более общие случаи, которые важны для изучения сетей химических реакций», — говорит первый автор Тецуя Дж. Кобаяши.
(a) Линейная система координат X, индуцированная стехиометрической матрицей S. Синяя плоскость представляет собой стехиометрическое подпространство P X (η).
(b) Стехиометрическое многообразие V Y (η) (синяя кривая поверхность), полученное преобразованием P X (η) в Y преобразованием Лежандра ∂φ.
Авторы и права: Исследование физического обзора (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033066
Потеря энергии редко бывает хорошей вещью, но теперь исследователи в Японии показали, как расширить применимость термодинамики к системам, которые не находятся в равновесии. Закодировав отношения рассеяния энергии геометрическим способом, они смогли ввести физические ограничения в обобщенное геометрическое пространство. Эта работа может значительно улучшить наше понимание сетей химических реакций, в том числе тех, которые лежат в основе метаболизма и роста живых организмов.
Термодинамика — это раздел физики, изучающий процессы, посредством которых энергия передается между объектами. Его предсказания имеют решающее значение как для химии, так и для биологии при определении того, будут ли определенные химические реакции или взаимосвязанные сети реакций протекать самопроизвольно. Однако, в то время как термодинамика пытается установить общее описание макроскопических систем, мы часто сталкиваемся с трудностями при работе с системой, находящейся вне равновесия. Успешные попытки распространить структуру на неравновесные ситуации обычно ограничивались только конкретными системами и моделями.
В двух недавно опубликованных исследованиях в журнале Physical Review Research учёные из Института промышленных наук Токийского университета продемонстрировали, что сложные нелинейные процессы химических реакций могут быть описаны путем преобразования задачи в двойственное геометрическое представление. «С нашей структурой мы можем распространить теории неравновесных систем с квадратичными функциями диссипации на более общие случаи, которые важны для изучения сетей химических реакций», — говорит первый автор Тецуя Дж. Кобаяши.
В физике двойственность является центральным понятием. Некоторые физические объекты легче интерпретировать, если преобразовать их в другое, но математически эквивалентное представление. Например, волна во временном пространстве может быть преобразована в свое представление в частотном пространстве, которое является ее двойственной формой. Имея дело с химическими процессами, термодинамическая сила и поток являются нелинейно связанными двойственными представлениями — их произведение приводит к скорости, с которой энергия теряется на диссипацию — в геометрическом пространстве, индуцированном двойственностью, ученые смогли показать, как термодинамические отношения могут быть обобщены даже в неравновесных случаях.
«Большинство предыдущих исследований сетей химических реакций основывались на предположениях о кинетике системы. Мы показали, как с ними можно обращаться в более общем случае в неравновесном случае, используя двойственность и связанную с ней геометрию», — говорит последний автор Юки Сугияма. Обладая более универсальным пониманием термодинамических систем и расширяя применимость неравновесной термодинамики к большему количеству дисциплин, можно обеспечить лучшую точку зрения для анализа или проектирования сложных реакционных сетей, таких как те, которые используются в живых организмах или в промышленных производственных процессах.
