definizione

Dall’inglese «steady state», uno stato stazionario indica una condizione di equilibrio dinamico: un sistema che si trovi allo stato stazionario tenderà a mantenere il proprio comportamento col trascorrere del tempo; nei sistemi stocastici le varie probabilità che differenti stati si ripetano restano costanti. Nella teoria dei sistemi, un sistema o un processo è in uno stato stazionario se le variabili (chiamate variabili di stato) che definiscono il comportamento del sistema o del processo sono immutabili nel tempo.

In molti sistemi, uno stato stazionario viene raggiunto nel tempo attraversando stati transitori: spesso le variazioni delle variabili di stato possono far sì che si possa tornare temporaneamente a stati transitori, qualora il sistema stesso subisca perturbazioni significative (stress);  uno stato stazionario deve essere considerato asintotico, cioè che tende ad avvicinarsi sempre più all’equilibrio, senza mai raggiungerlo o coincidere con esso. Un sistema instabile è quello che diverge dallo stato stazionario.

stato stazionario negli essere viventi: l’omeostasi

Gli esseri viventi dovrebbero essere considerati sistemi termodinamici in stato stazionario, in quanto, per vivere e per rimanere distinti dall’ambiente in cui vivono (ecosistema), hanno bisogno di spendere energia: esiste un flusso continuo in uscita ed in entrata (tramite il cibo negli eterotrofi) che garantisce questo equilibrio dinamico, permettendo ai set-point omeostatici di mantenere il loro equilibrio attorno ai valori fisiologi; potremmo affermare che gli esseri viventi sono organismi che compiono un lavoro semplicemente per esistere, comportandosi come macchine chimiche autoregolate.

L’omeostasi, dal greco ὅμοιος (hómoios → simile) e στάσις (stásis, → fermo) è la proprietà di un sistema che regola il suo ambiente interno e tende a mantenere una condizione stabile e costante: il concetto, sviluppato da Walter B. Cannon, nel 1932, deriva da quello di milieu interieur creato da Claude Bernard e pubblicato nel 1865; i meccanismi multipli di adattamento e regolazione dell’equilibrio dinamico rendono possibile l’omeostasi che deve essere considerata, sotto certi punti di vista, un sistema in stato stazionario.

stato stazionario ed equilibrio dinamico in chimica

In chimica, uno stato stazionario è una situazione più articolata dell’equilibrio dinamico: mentre un equilibrio dinamico è osservabile quando due o più processi reversibili si verificano alla stessa velocità e, pertanto, si può dire che un tale sistema sia in uno stato stazionario, mentre un sistema che è in uno stato stazionario potrebbe non essere necessariamente in uno stato di equilibrio dinamico, perché alcuni dei processi coinvolti non sono reversibili.

Uno stato stazionario è una situazione in cui tutte le variabili di stato sono costanti nonostante i processi in corso che si sforzano di cambiarle: affinché un intero sistema si mantenga in uno stato stazionario, cioè che tutte le variabili di stato siano costanti, deve esserci un flusso attraverso il sistema. Un semplice esempio è il caso di una vasca da bagno con il rubinetto in funzione ma con lo scarico aperto: si osserverà uno stato stazionario. dopo un certo tempo, quando cioè l’acqua entra ed esce con la stessa velocità, mantenendo costante il livello dell’acqua nella vasca; in questo caso la variabile di stato è il volume dell’acqua, che viene stabilizzato.

Il concetto di stato stazionario è diverso dall’equilibrio chimico: sebbene entrambi possano creare una situazione in cui la concentrazione (valore) di una variabile non cambia, in un sistema in equilibrio chimico, la velocità di reazione (variazione di concentrazione dei reagenti nel tempo) è pari a zero, cioè i prodotti si trasformano in reagenti alla stessa velocità con cui i reagenti si trasformano in prodotti, mentre tale limitazione non esiste nell’idea di stato stazionario in quanto, a tutti gli effetti, non è necessaria alcuna reazione affinché si sviluppi uno stato stazionario. Il termine viene utilizzato anche per descrivere una situazione in cui alcune, ma non tutte, le variabili di stato di un sistema sono costanti: affinché si sviluppi, il sistema non deve essere un sistema di flusso. Pertanto, un tale stato stazionario può svilupparsi in un sistema chiuso in cui si verificano una serie di reazioni chimiche.

Nei sistemi semplici, le variabili di stato diminuiscono o aumentano la loro concentrazione gradualmente, finchè non raggiungono il loro valore fissato per lo stato stazionario; in sistemi più complessi la variabile di stato potrebbe fluttuare intorno allo stato stazionario teorico per sempre (un ciclo limite) o avvicinarsi gradualmente: teoricamente ci potrebbe volere un tempo infinito per raggiungere lo stato stazionario, così come ci vuole un tempo infinito per raggiungere l’equilibrio chimico.