• 熵力

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    熵力

    在物理學中,作用于系統中的熵力是一種新興現象,它是由整個系統熵增加的統計趨勢引起的,而不是由原子尺度上的特定潛在力引起的。

    例子

    理想氣體的壓強

    理想氣體內能只取決于它的溫度,而不取決于它的容納箱的體積,所以它不是一種能量效應,它會像氣體壓力那樣傾向于增加箱子的體積。 這意味著理想氣體的壓力具有熵起源。

    這種熵力的來源是什么? 最普遍的答案是,熱波動的影響往往會使熱力學系統走向宏觀狀態,該狀態對應于與該宏觀狀態相容的微觀狀態(或微觀狀態)數量的xxx值。 換句話說,熱波動往往會使系統走向其xxx熵的宏觀狀態。

    布朗運動

    諾依曼使用玻爾茲曼方程推導出進行三維布朗運動的粒子的熵力,將該力表示為擴散驅動力或徑向力。 在本文中,三個示例系統展示了這種力量:

    聚合物

    熵力的一個標準例子是自由連接的聚合物分子的彈性。 對于理想鏈,最大化其熵意味著減少其兩個自由端之間的距離。 因此,理想鏈條在其兩個自由端之間施加了一個趨向于折疊鏈條的力。 這種熵力與兩端之間的距離成正比。 自由連接鏈的熵力具有明確的機械來源,可以使用受約束的拉格朗日動力學計算。 關于生物聚合物,熵力和功能之間似乎存在錯綜復雜的聯系。 例如,無序的多肽片段——在同一多肽鏈折疊區域的背景下——已被證明會產生具有功能意義的熵力。

    疏水力

    熵力的另一個例子是疏水力。 在室溫下,它部分源于水分子的 3D 網絡在與溶解物質分子相互作用時的熵損失。 每個水分子都能夠

    • 通過兩個質子提供兩個氫鍵
    • 通過兩個 sp3 雜化的孤對電子接受另外兩個

    因此,水分子可以形成一個擴展的三維網絡。 引入非氫鍵表面會破壞該網絡。 水分子在表面周圍重新排列,以盡量減少氫鍵斷裂的數量。 這與主要形成線性鏈的氟化氫(可以接受 3 但僅提供 1)或氨(可以提供 3 但僅接受 1)形成對比。

    如果引入的表面具有離子極性性質,則會有水分子直立在四個 sp3 軌道的 1(沿著離子鍵軌道的軸)或 2(沿著合成的極性軸)上。 這些方向允許輕松移動,即自由度,從而最低限度地降低熵。

    熵力

    但是具有中等曲率的非氫鍵表面迫使水分子緊緊地固定在表面上,在與表面相切的方向上展開 3 個氫鍵,然后鎖定在籠狀籃子形狀中。 在非氫鍵表面周圍的這種包合物狀籃子中涉及的水分子的方向受到限制。 因此,任何會使這種表面最小化的事件在熵上都是有利的。 例如,當兩個這樣的疏水性顆粒非常接近時,圍繞它們的包合物狀籃子就會合并。 這會將一些水分子釋放到大部分水中,導致熵增加。

    熵力的另一個相關且違反直覺的例子是蛋白質折疊,這是一個自發的過程,疏水效應也在其中發揮作用。

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    1. 熵力
    2. 例子
    3. 理想氣體的壓強
    4. 布朗運動
    5. 聚合物
    6. 疏水力

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