Введение
Принцип в кинетических системах
Принцип детального баланса применим к кинетическим системам, которые можно разложить на элементарные процессы (столкновения, стадии или элементарные реакции). Он утверждает, что в состоянии равновесия каждый элементарный процесс находится в равновесии со своим обратным процессом.
The principle of detailed balance can be used in kinetic systems which are decomposed into elementary processes (collisions, or steps, or elementary reactions). It states that at equilibrium, each elementary process is in equilibrium with its reverse process.
История
Принцип детального баланса был явно введен для столкновений Людвигом Больцманом. В 1872 году он доказал свою H-теорему, используя этот принцип. Аргументы в пользу этого свойства основаны на микроскопической обратимости. За пять лет до Больцмана Джеймс Клерк Максвелл использовал принцип детального баланса для кинетики газов, ссылаясь на принцип достаточного основания. Он сравнил идею детального баланса с другими типами баланса (например, циклическим балансом) и обнаружил, что "сейчас невозможно найти причину", по которой детальный баланс должен быть отвергнут (стр. 64). Альберт Эйнштейн в 1916 году использовал принцип детального баланса в качестве основы для своей квантовой теории излучения и поглощения. В 1901 году Рудольф Вегшейдер ввёл принцип детального баланса для химической кинетики. В частности, он продемонстрировал, что необратимые циклы A1 > A2 > \cdots > A\mathit{n} > A1 невозможны, и явно вывел соотношения между кинетическими константами, вытекающие из принципа детального баланса. В 1931 году Ларс Онсагер использовал эти соотношения в своих работах, за которые он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1968 году. Принцип детального баланса используется в методах Монте-Карло на основе цепей Маркова с момента их изобретения в 1953 году. В частности, в алгоритме Метрополиса — Хэстингса и в его важном частном случае, выборке Гиббса, он используется как простое и надежное условие для достижения желаемого состояния равновесия. В настоящее время принцип детального баланса является стандартной частью университетских курсов по статистической механике, физической химии, химической и физической кинетике.
Детальный баланс и увеличение энтропии
Для многих систем физической и химической кинетики детальный баланс обеспечивает достаточные условия для строгого увеличения энтропии в изолированных системах. Например, знаменитая теорема Болцмана H и обобщенная кинетика массового действия с детальным балансом. Тем не менее, принцип детального баланса не является необходимым для роста энтропии. Например, в линейном необратимом цикле A1 > A2 > A3 > A1, производство энтропии положительно, но принцип детального баланса не выполняется. Таким образом, принцип детального баланса является достаточным, но не обязательным условием для увеличения энтропии в кинетике Болцмана. Эти соотношения между принципом детального баланса и вторым законом термодинамики были прояснены в 1887 году, когда Хендрик Лоренц возразил против теоремы Больцмана H для полиатомных газов. Лоренц утверждал, что принцип детального баланса неприменим к столкновениям полиатомных молекул. Болцман немедленно разработал новое, более общее условие, достаточное для роста энтропии. Условие Болцмана выполняется для всех марковских процессов, независимо от обратимости во времени. Позже увеличение энтропии было доказано для всех марковских процессов прямым методом. Эти теоремы можно рассматривать как упрощения результата Болцмана. Впоследствии это условие было названо условием "циклического баланса" (поскольку оно выполняется для необратимых циклов) или "частичного детального баланса" или "комплексного баланса". В 1981 году Карло Серчиньяни и Мария Лампис доказали, что аргументы Лоренца были ошибочными, и принцип детального баланса применим к полиатомным молекулам. Тем не менее, расширенные условия частичного детального баланса, разработанные Болцманом в ходе этой дискуссии, остаются замечательным обобщением детального баланса.