엔트로피력

Entropic force

물리학에서, 시스템에서 작용하는 엔트로피 힘은 원자 [1][2]규모의 특정 기본 힘보다는 엔트로피를 증가시키는 전체 시스템의 통계적 경향에서 발생하는 새로운 현상이다.

수학 공식화

정준앙상블에서 매크로스테이트 파티션{displaystyle \ {X})에 관련된 엔트로픽 F는 다음과 [3]같이 주어진다.

서 T T는 온도, { S는 매크로 [4]X({에 된 엔트로피, 0은 매크로 상태입니다.


예

이상 기체의 압력

이상적인 가스의 내부 에너지는 그 온도에만 의존하며, 격납 상자의 부피에 의존하지 않기 때문에 가스 압력만큼 상자의 부피를 증가시키는 에너지 효과는 아니다.이것은 이상적인 가스의 압력이 엔트로피 [5]기원을 가지고 있다는 것을 의미합니다.

이러한 엔트로피 힘의 기원은 무엇인가?가장 일반적인 대답은 열변동의 영향이 이 거시적 상태와 호환되는 미시적 상태(또는 미시적 상태)의 최대 수에 해당하는 거시적 상태로 열역학 시스템을 가져오는 경향이 있다는 것입니다.즉, 열변동은 시스템을 최대 [5]엔트로피라는 거시적인 상태로 만드는 경향이 있습니다.

브라운 운동

브라운 운동에 대한 엔트로피적 접근은 처음에 R. M.[3][6] 노이만이 제안했다.노이만은 볼츠만 방정식을 사용하여 3차원 브라운 운동을 하는 입자에 대한 진입력을 도출하여 이 힘을 확산 구동력 또는 방사력으로 표현하였다.이 문서에서는 다음과 같은 세 가지 시스템이 그러한 힘을 발휘하는 것으로 나타났습니다.

폴리머

주요 기사:이상적인 체인

엔트로피력의 표준 예는 자유관절 고분자 [6]분자의 탄성입니다.이상적인 사슬에서 엔트로피를 최대화하는 것은 두 자유단 사이의 거리를 줄이는 것을 의미합니다.그 결과, 2개의 자유단 사이의 이상적인 체인에 의해 체인을 붕괴시키는 경향이 있는 힘이 발휘된다.이 진입력은 양 끝 [5][7]사이의 거리에 비례합니다.자유 접합 체인에 의한 엔트로픽 힘은 명확한 기계적 기원을 가지며, 제약된 라그랑지안 [8]역학을 사용하여 계산할 수 있다.

소수력

다음 항목도 참조하십시오.소수성 효과 cause 원인
풀밭에 물이 뚝뚝 떨어지다.

엔트로피 힘의 또 다른 예는 소수력이다.상온에서, 그것은 부분적으로 용해된 물질의 분자와 상호작용할 때 물 분자의 3D 네트워크에 의한 엔트로피의 손실에서 비롯된다.각각의 물 분자는

  • 두 개의 양성자를 통해 두 개의 수소 결합을 기증하는 모습
  • 두 개의 sp-synamized3 단독 쌍을 통해 두 개의 수소 결합을 더 받아들인다

따라서 물 분자는 확장된 3차원 네트워크를 형성할 수 있다.비수소 결합 표면을 도입하면 이 네트워크가 중단됩니다.물 분자는 표면 주위에 재배치되어 수소 결합의 교란을 최소화합니다.이는 주로 선형 사슬을 형성하는 플루오르화 수소(3개만 기증할 수 있지만 1개만 기증) 또는 암모니아(3개만 기증할 수 있음)와 대조적입니다.

도입된 표면이 이온성 또는 극성을 가진 경우, 4sp3 궤도 [9]중 1개(이온 결합을 위한 궤도 축을 따라) 또는 2개(결과 극성 축을 따라)에 물 분자가 수직으로 서 있을 것이다.이러한 방향은 자유도와 같이 쉽게 이동할 수 있으므로 엔트로피를 최소한으로 낮춥니다.그러나 적당한 곡률의 비수소 결합 표면은 물 분자를 표면에 단단히 고정시켜 표면에 접선하는 3개의 수소 결합을 확산시키고, 그 후 포접물 모양의 바구니 모양으로 고정시킵니다.비수소 결합 표면 주위의 이 포접물 모양의 바구니에 관여하는 물 분자는 그 배향에 구속된다.따라서 그러한 표면을 최소화하는 모든 사건은 장내적으로 선호된다.예를 들어, 두 개의 소수성 입자가 매우 가까이 오면, 그것들을 둘러싼 포접물 모양의 바구니가 합쳐집니다.이것은 물 분자의 일부를 물의 대부분으로 방출시켜 엔트로피의 증가를 이끈다.

또 다른 관련되고 직관에 반하는 진입력의 예는 단백질 접힘이다. 단백질 접힘은 자발적인 과정이며 소수성 효과도 [10]작용한다.수용성 단백질의 구조는 전형적으로 물로부터 소수성 측쇄가 묻힌 핵을 가지고 있으며, 이는 접힌 [11]상태를 안정시킨다.하전 및 극성 사이드 체인은 용매 노출 표면에 위치하여 주변의 물 분자와 상호작용합니다.단백질 내 수소 결합 형성은 단백질 구조를 [14][15]안정시키지만 물에 노출되는 소수성 측쇄의 수를 최소화하는 것은 접힘 과정의 [11][12][13]주요 추진력이다.

콜로이드

콜로이드 [16]물리학에서 엔트로픽 힘은 중요하고 널리 퍼져 있습니다.콜로이드는 단단한 구체의 결정화, 단단한 막대의 액정 상에서의 등방성-네틱 전이, 단단한 [16][17]다면체의 순서와 같은 단단한 입자의 순서를 담당합니다.이것 때문에, 엔트로픽 힘은 자기[16] 집결의 중요한 동인이 될 수 있다.

입자가 몰리면서 생기는 삼투압 때문에 콜로이드 시스템에서 엔트로픽 힘이 발생합니다.이것은 아사쿠라-오오사와 모델에 의해 기술된 콜로이드-중합체 혼합물에서 처음 발견되었고 가장 직관적이다.이 모델에서 폴리머는 서로 관통할 수 있지만 콜로이드 입자는 관통할 수 없는 유한 크기의 구체로 근사됩니다.폴리머가 콜로이드를 투과할 수 없는 것은 폴리머 밀도가 감소하는 콜로이드 주변의 영역으로 이어집니다.2개의 콜로이드 주위의 폴리머 밀도가 저하된 영역이 서로 겹칠 경우, 서로 접근하는 콜로이드로 인해 시스템 내의 폴리머는 감소된 밀도 영역의 교점 부피와 동일한 추가적인 자유 부피를 얻는다.추가적인 자유 부피는 고분자의 엔트로피를 증가시키고 고분자가 국소적으로 밀집된 골재를 형성하도록 유도합니다.폴리머가 없는 충분히 조밀한 콜로이드 시스템에서도 유사한 효과가 발생하며, 삼투압은 또한 [18]입자의 모양을 수정함으로써 합리적으로 설계될 수 있는 다양한 구조 배열로 콜로이드 국소 조밀한[16] 패킹을 유도한다.이러한 효과는 방향성 엔트로피력으로 [19][20]불리는 이방성 입자에 대한 것입니다.

세포골격

생물학적 세포의 수축력은 전형적으로 세포골격과 관련된 분자 모터에 의해 구동된다.그러나 점점 더 많은 증거들이 수축력 또한 엔트로피에서 [21]비롯되었을 수 있다는 것을 보여준다.기본적인 예는 마이크로튜브 가교제 Ase1의 작용으로, 마이크로튜브가 유사분열 스핀들 내에서 겹치는 부분을 국소화한다.Ase1의 분자는 1차원적으로 확산이 자유로운 미소관 오버랩에 한정된다.용기 내의 이상 기체와 유사하게 Ase1의 분자는 오버랩 단부에 압력을 발생시킨다.이 압력은 오버랩 팽창을 촉진하여 마이크로튜브를 [22]수축시킬 수 있습니다.액틴 세포골격에서도 유사한 예가 발견되었다.여기서 활성결합단백질 아니린은 세포수축환의 [23]활성수축성을 촉진한다.

논란의 여지가 있는 예

일반적으로 관습적인 힘으로 간주되는 어떤 힘들은 실제로 본질적으로 엔트로피라고 주장되어 왔다.이 이론들은 여전히 논란의 여지가 있고 현재 진행 중인 연구의 주제이다."Conservative Entropic Force"의 뉴저지주 웰링턴 빅토리아 대학의 수학 교수인 Matt Visser는 선택된 접근법을 비판하지만 일반적으로 다음과 같이 결론짓습니다.

엔트로픽 힘의 물리적 실체에 대한 합리적인 의심은 없으며, 고전적(그리고 반고전적) 일반 상대성이 열역학과 밀접하게 관련되어 있다는 것에 대한 합리적인 의심은 없다.제이콥슨, 타누 파드마나반, 그리고 다른 사람들의 연구에 기초하여, 완전 상대론적인 아인슈타인 방정식의 열역학적 해석이 가능할지도 모른다고 의심할 수 있는 좋은 이유들이 있다.

중력

주요 기사: Entropic gravity

2009년, 에릭 베린데는 중력이 엔트로피 [4]힘으로 설명될 수 있다고 주장했다.그것은 중력이 "물질체의 위치와 관련된 정보"의 결과라고 주장했다(Jacobson의 결과와 유사하다.이 모델은 중력에 대한 열역학적 접근과 Gerard't Hooft의 홀로그래픽 원리를 결합합니다.이것은 중력이 근본적인 상호작용이 아니라 [4]발생현상임을 암시한다.

기타 세력

베를린데에 의해 시작된 논의의 결과로, 쿨롱의 [25][26]법칙을 포함한 다른 기본적 힘에 대한 엔트로피적 설명이 [24]제시되었다.암흑 물질, 암흑 에너지, 파이오니어 [27]효과를 설명하기 위해 같은 접근법이 논의되었다.

적응 동작 링크

인과적 엔트로피 힘이 도구 사용과 사회적 [28][29][30]협력의 자발적인 출현으로 이어진다는 주장이 제기되었다.인과 엔트로피 힘은 정의상 전형적인 엔트로피 힘처럼 탐욕적으로 순간 엔트로피 생산을 최대화하는 것이 아니라 현재와 미래의 시간 범위 사이에서 엔트로피 생산을 최대화합니다.

발견된 자연법칙의 수학적 구조, 지능, 그리고 복잡성의 엔트로피와 유사한 측정 사이의 공식적인 동시 연관성은 2000년 안드레이 소클라코프에[31][32] 의해 Occam의 면도기 원리의 맥락에서 이전에 언급되었습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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