¿Por qué un sistema debe estar en su estado de energía más bajo para su estabilidad?

Para responder a su pregunta, primero debe comprender cuándo un sistema es más estable .

En primer lugar, no debería tener tendencia a moverse o cambiar de estado, por lo que debería estar en condiciones de equilibrio, es decir, la Fuerza neta debería ser cero.

Lo sabemos

En segundo lugar, debería ser capaz de mantener esa condición de equilibrio por sí mismo. Esto se puede probar desplazando el sistema una pequeña distancia.$\delta x$. Si la fuerza sobre el sistema se vuelve opuesta a la dirección de$\delta x$, podemos decir que el sistema tiene una tendencia a restaurar de nuevo a su posición de equilibrio original.
Un ejemplo de esto sería una pelota mantenida en el fondo de un valle esférico. Desplace la bola un poco hacia la derecha y la fuerza neta sobre ella actúa hacia la izquierda, devolviéndola a su posición original. Se dará cuenta de que acabo de describir una condición de equilibrio estable. Lo que esto prueba es que es la condición de equilibrio estable en la que el sistema es más estable .

De la descripción anterior tenemos que el pequeño desplazamiento$\delta x$y fuerza extra neta$\delta F$debe estar en direcciones opuestas

que da como condición de estabilidad

lo que implica

De$(1)$y$(2)$es evidente que la gráfica de$U$debe tener un mínimo en condiciones de equilibrio estable, es decir, la energía potencial debe ser mínima cuando un sistema alcanza la máxima estabilidad.

Aproximadamente: porque$F=-\overrightarrow\nabla U$, con$U$algo de energía potencial (podría ser una energía potencial efectiva ). Entonces, si no está en un mínimo de potencial, su sistema no está en equilibrio.

Editar: ¿Puedes ver que 1. y 2. son equilibrio estable? En química, su energía potencial efectiva es una función llamada energía libre de Gibbs .

Un sistema que está en contacto térmico con su entorno tenderá tanto a un estado de menor energía como a un estado de mayor entropía. Básicamente, la energía del sistema + entorno es fija , pero la energía fluirá entre los dos hasta que estén en un estado de máxima entropía.

Podría ser más informativo preguntar por qué los sistemas tienden a aumentar la entropía. Lo que sucede es que todos los estados que el sistema+ambiente puede ocupar con energía total fija tienen la misma probabilidad de ser ocupados. Esto se llama el postulado fundamental de la mecánica estadística. Ahora bien, hay muchos de esos estados para los cuales el sistema tiene alguna energía particular.$E$. El valor de$E$que corresponde al mayor número de estados es, por lo tanto, lo más probable.

Intentaré explicarlo con la ayuda de un ejemplo clásico. Tome las situaciones en la imagen de arriba. Lo que te interesa son los primeros casos. El estado de equilibrio inestable es tal estado que cuando se desplaza ligeramente la bola, se aparta de la posición original. Al estar en la cima del cerro, tiene un exceso de energía potencial (ya sea gravitatoria, eléctrica, etc.) que puede convertirse en trabajo. Sin embargo, en equilibrio estable, al desplazar la bola ésta siempre volverá a su posición original. Estaba desde el principio en un estado con energía mínima.

Bueno, las reacciones químicas casi siempre requieren calor (energía) para tener lugar, y casi siempre liberan calor en la reacción, por lo que, según ese estado lógico, cuando los elementos no pueden seguir reaccionando es un estado con energía insuficiente o, en otras palabras, con la energía más baja. estado (o probablemente deberíamos decir "estado de menor energía" que el que se requiere para las reacciones)

Resolver (disminuir) los gradientes de energía para reducir los estados potenciales realizados es lo que impulsa cada proceso en muchos niveles, incluida la evolución. www.intothecool.com Aquí hay un artículo genial que muestra el proceso a través de dominios universales, biológicos y socioeconómicos. http://journals.cambridge.org/action/displayAbstract?fromPage=online&aid=185965

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Dicho esto, el estado potencial más bajo es probablemente una red en el cero absoluto con un estado electromagnético perfectamente isomórfico. Técnicamente, cualquier cosa menos que toda la materia que alcanza ese estado está sujeta a ser solo un punto de equilibrio local que espera un estado más bajo (más ampliamente contextualizado), es decir, la muerte por calor final.