Die anthropomorphe Formulierung "versucht" ist irreführend.Unter dem Einfluss von Umgebungsgeräuschen untersucht die Materie die möglichen Konfigurationen um ihren aktuellen Zustand herum: z. B. wackeln zwei einzelne Wasserstoffatome herum und treffen sich.Wenn sie sich binden, setzt dies Energie frei, die verschwindet, und wir sagen, dass der energetische Zustand dieses neuen $ H_2 $ span> -Moleküls niedriger ist als das, was wir hatten.Wenn das Umgebungsgeräusch oder ein Experimentator diese Energie nicht an das $ H_2 $ span> -Molekül zurückgibt, bleibt dies so, sodass eine Netto-Tendenz zu diesen Zuständen besteht, die wir beschreibeneine niedrigere (freie) Energie haben.

Fügen wir hinzu, dass die traditionelle Art und Weise, diese Tendenz zu erklären (was bedeutet, dass Sie mehr Energie benötigen und somit weniger Chancen haben, von einem Zustand niedrigerer Energie in einen Zustand höherer Energie zu wechseln als umgekehrt), mit diesem Schema von isteine mögliche Energie-Analogie:

Dies ist eine Folge des second-Gesetzes der Thermodynamik, das besagt, dass

In einem geschlossenen System mit fester innerer Energie (d. h. einem isolierten System) wird die Entropie im Gleichgewicht maximiert

Es kann gezeigt werden, dass diese Aussage der folgenden entspricht:

In einem geschlossenen System mit fester Entropie wird die Energie im Gleichgewicht minimiert.

Callen gibt in seinem Buch das folgende Argument an (Kapitel 5):

Angenommen, das System befindet sich im Gleichgewicht, die Energie jedoch nicht haben den kleinstmöglichen Wert, der mit der gegebenen Entropie übereinstimmt. Wir könnten dann dem System Energie entziehen (in Form von Arbeit) Entropie konstant halten, und wir könnten dies danach zurückgeben Energie für das System in Form von Wärme. Die Entropie des Systems würde zunehmen ($ \ delta Q = T dS $) und das System würde wiederhergestellt zu seiner ursprünglichen Energie, aber mit einer erhöhten Entropie. Das ist unvereinbar mit dem Prinzip, dass der anfängliche Gleichgewichtszustand ist der Zustand maximaler Entropie! Daher sind wir gezwungen zu folgern, dass die Der ursprüngliche Gleichgewichtszustand muss mit minimaler Energie bestanden haben die vorgeschriebene Entropie.

Dies ist wirklich ein statistischer Effekt, wie so ziemlich die gesamte Thermodynamik.

Sie haben zwei freie Wasserstoffatome. Sie neigen dazu, sich in dem Raum zu bewegen, den sie haben, und wenn die Bedingungen günstig sind (es gibt genug Energie, die Atome kommen "nahe genug" zusammen), können sie interagieren - chemisch oder auf andere Weise.

Nun, "genug Energie" ist hier das wichtige Stück. Wenn ein Wasserstoffatom auf ein anderes Wasserstoffatom trifft, steht ihnen ein niedrigerer Energiezustand zur Verfügung. Das heißt, ohne dass externe Energie hinzugefügt wird (z. B. aus der Relativbewegung der beiden Atome), gibt es einen anderen Zustand, den sie einnehmen können (das Wasserstoffmolekül), während sie Energie an die Umgebung abgeben (üblicherweise als EM-Strahlung)

Diese entweichende Energie verhindert, dass die Reaktion "rückwärts" läuft. Und da die Wahrscheinlichkeit, dass die Reaktion auftritt, ungleich Null ist und die Wahrscheinlichkeit, dass die Rückreaktion auftritt, viel geringer ist (in unserem vereinfachten Fall Null), können wir beobachten, dass das System "seine Energie minimiert".

In der Realität laufen die meisten Reaktionen gleichzeitig in beide Richtungen und viele verschiedene Reaktionen finden in derselben Chemikalienmischung statt. Beispielsweise neigt kohlensäurehaltiges Wasser zu laufenden Reaktionen, bei denen Wasser und Kohlendioxid in Carbonsäure umgewandelt werden, und umgekehrt. Die Konzentration der Säure tendiert zu einem Gleichgewicht, bei dem die Vorwärtsreaktion und die Rückwärtsreaktion mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen. Aber sie passieren immer noch. Beachten Sie jedoch, dass dies geschieht, weil das System Energie nicht nur verliert, sondern auch gewinnt - das Gleichgewicht tritt auf, wenn die Menge der ausgehenden Energie gleich der Menge der eingehenden Energie ist. Ist dies nicht der Fall, wird die Reaktion mit der Zeit nicht reversibel, da die Gesamtenergie an die Umwelt verloren geht.

Dies gilt für alle thermodynamischen Systeme.Stellen Sie sich einen Ball vor, der vom Boden abprallt.Wenn der Sprung perfekt ist, wird keine Energie an die Umgebung abgegeben, und der Ball springt für immer weiter - er ändert nur die kinetische Energie in potentielle Gravitationsenergie und umgekehrt.Es gibt keine "Minimierung der Gesamtenergie" - die Energie des Systems wird einfach erhalten.Aber wie uns die Thermodynamik lehrt, kann man kein System herstellen, das perfekt geschlossen ist.Und sobald Energie aus dem System "entweicht", springt der Ball immer tiefer, bis er zur Ruhe kommt.Die Energie ging durch Wärme, Geräusche usw. verloren und steht nicht mehr zur Verfügung, um den Ball wieder nach oben zu drücken.

Ich werde einen etwas anderen Ansatz wählen und sagen, es ist , weil wir Energie definiert haben, um es so zu machen . Mit anderen Worten, Systeme "versuchen", den niedrigsten Energiezustand zu finden, weil Energie ein Konzept ist, das Menschen erfunden haben, um zu beschreiben, was wir beobachten.

Dies ist der Grund, warum Sie für einen bestimmten Satz von Einschränkungen möglicherweise eine andere "Energie" benötigen, um das Verhalten des Systems zu beschreiben. In der Quantenmechanik stellt sich heraus, dass das, was wir Energie nennen (wie vom Energieoperator angegeben), minimiert wird. In der klassischen Mechanik beziehen wir uns auf potentielle Energien, um zwischen den unzähligen anderen Energietypen zu unterscheiden, die für ein System definiert werden können, und definieren Definitionen für diese, damit die potentielle Energie (Gravitation, Thermodynamik usw.) minimiert wird.

Am Ende bedeutet dies, dass Sie für einen bestimmten Zustand des Systems eine Funktion definieren können, die Ihnen einen Wert relativ zu einem Zustand mit der niedrigsten Energie (Grundzustand) gibt. Wir definieren diese Funktion so, dass sie uns sagt, welcher Zustand wahrscheinlicher ist, und wir tun dies, indem wir physikalische Gesetze beachten.

In diesem Sinne ist es ein bisschen rückwärts zu sagen, dass ein System "versucht", ein Minimum an Energie zu erreichen (wobei die mit dem Anthropomorphismus verbundenen Probleme ignoriert werden), da das System nur das tut, was es tut, und wir verwenden Energie als ein Weg, das zu verstehen.

Energie ist ein sekundäres Konzept, zumindest in der Newtownschen Mechanik. Beginnen wir also mit den Grundlagen.

Es existiert ein Kraftfeld. Zum Beispiel eine Gravitationsversion. Ein Objekt in diesem Bereich fühlt eine Kraft. Diese Kraft "will", dass das Objekt beschleunigt wird.

Definieren Sie Arbeit anhand von Kräften als $ force \ times distance $, und jetzt können wir dem intuitiven Konzept, dass "es Arbeit erfordert, um diesen Ball vom Boden auf den Tisch zu heben", eine genaue mathematische Bedeutung geben.

Definieren Sie von der Arbeit aus Energie. Mit Energie verfolgen wir die gesamte Arbeit, die wir geleistet haben. Wenn wir sagen "der Ball hat $ x $ Joule kinetische Energie", heißt das "eine Kraft, die auf den Ball einwirkt und $ x $ viel Arbeit leistet, und jetzt hat der Ball aufgrund dieser Kraft auf die gegebene Geschwindigkeit beschleunigt". .

Beantworten wir also die Frage: "Warum minimiert ein System gerne seine Gesamtenergie?" Zuerst müssen wir die Frage klären, wir müssen nicht darüber nachdenken, was "das System" ist, denn wenn ich einen Ball vom Boden auf den Tisch hebe, habe ich anscheinend seine Energie erhöht , was der Prämisse widerspricht. Ich denke du meinst "warum minimiert ein System gerne seine potentielle Energie?" Potenzielle Energie existiert, weil die Kraft existiert - der Ball potentiell fällt auf den Boden zurück, wenn es erlaubt ist; Die Schwerkraft wirkt beim Fallen auf den Ball und dies manifestiert sich als kinetische Energie. Wenn man also sagt "der Ball will seine potentielle Energie minimieren", heißt das im Grunde "die Schwerkraft existiert".

Aber wenn der Ball tatsächlich fallen darf, tauschen wir potenzielle Energie gegen kinetische Energie und die Gesamtenergie des Systems ist konstant.Wenn es mit perfekter Elastizität springt und es keinen Luftwiderstand usw. gibt, kehrt es zu seiner ursprünglichen Konfiguration zurück: keine Energieänderung.In der Praxis ist der Sprung leicht elastisch, es wird gearbeitet, um die Moleküle in Bewegung zu setzen (Wärme, Schall usw.), und so wird nicht die gesamte Energie beim Sprung an den Ball zurückgegeben, also die Energie des (nicht mehr)geschlossenes) System neigt dazu, abzunehmen.

Es wird durch das

1. fundamentale Kräfte und

2. Tendenz der Energie zu entkommen

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Nummer 2 selbst wird durch fundamentale Kräfte verursacht, also sind es die Kräfte.

Die meisten Fragen enden damit, warum / wie es fundamentale Kräfte gibt.