Fizyka statystyczna Termodynamika bliskiej nierównowagi. P. F. Góra

Podobne dokumenty
TERMODYNAMIKA PROCESOWA

Elementy termodynamiki i wprowadzenie do zespołów statystycznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

Elementy termodynamiki

Fizyka statystyczna Zerowa Zasada Termodynamiki. P. F. Góra

Zjawisko termoelektryczne

Podstawowe pojęcia Masa atomowa (cząsteczkowa) - to stosunek masy atomu danego pierwiastka chemicznego (cząsteczki związku chemicznego) do masy 1/12

Termodynamika Część 7 Trzecia zasada termodynamiki Metody otrzymywania niskich temperatur Zjawisko Joule'a Thomsona Chłodzenie magnetyczne

Termodynamika. Część 12. Procesy transportu. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

Równowaga w układach termodynamicznych. Katarzyna Sznajd-Weron

3. Równania konstytutywne

Wstęp do metod numerycznych Uwarunkowanie Eliminacja Gaussa. P. F. Góra

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

Termodynamika. Energia wewnętrzna ciał

= = Budowa materii. Stany skupienia materii. Ilość materii (substancji) n - ilość moli, N liczba molekuł (atomów, cząstek), N A

ELEMENTY FIZYKI STATYSTYCZNEJ

Termodynamiczny opis układu

Fizyka statystyczna Fenomenologia przejść fazowych. P. F. Góra

Wykład 8 i 9. Hipoteza ergodyczna, rozkład mikrokanoniczny, wzór Boltzmanna

Fizyka statystyczna Zasady Termodynamiki. P. F. Góra

Układ termodynamiczny Parametry układu termodynamicznego Proces termodynamiczny Układ izolowany Układ zamknięty Stan równowagi termodynamicznej

Fizyka statystyczna Potencjały termodynamiczne i warunki równowagi Geometria Drugiej Zasady Termodynamiki

Wykład 4. II Zasada Termodynamiki

Fizyka statystyczna Równanie Fokkera-Plancka. P. F. Góra

ZJAWISKA TERMOELEKTRYCZNE

S ścianki naczynia w jednostce czasu przekazywany

13 Równanie struny drgającej. Równanie przewodnictwa ciepła.

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

Q t lub precyzyjniej w postaci różniczkowej. dq dt Jednostką natężenia prądu jest amper oznaczany przez A.

Krótki przegląd termodynamiki

Fizyka statystyczna Zwyrodniały gaz Fermiego. P. F. Góra

wymiana energii ciepła

Fizyka statystyczna Równanie Fokkera-Plancka

Wykład 2. Przykład zastosowania teorii prawdopodobieństwa: procesy stochastyczne (Markova)

Termodynamika. Cel. Opis układu niezależny od jego struktury mikroskopowej Uniwersalne prawa. William Thomson 1. Baron Kelvin

Termodynamika. Część 4. Procesy izoparametryczne Entropia Druga zasada termodynamiki. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

FIZYKA STATYSTYCZNA. d dp. jest sumaryczną zmianą pędu cząsteczek zachodzącą na powierzchni S w

Termodynamika statystyczna A. Wieloch Zakład Fizyki Gorącej Materii IFUJ

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Pomiar przewodności cieplnej i elektrycznej metali

Układy statystyczne. Jacek Jurkowski, Fizyka Statystyczna. Instytut Fizyki

Elementy termodynamiki

Podstawy termodynamiki

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Wykład 3. Zerowa i pierwsza zasada termodynamiki:

ZADANIE 28. Wyznaczanie przewodnictwa cieplnego miedzi

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Maszyny cieplne substancja robocza

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Temperatura, ciepło, oraz elementy kinetycznej teorii gazów

Równanie przewodnictwa cieplnego (II)

II Zasada Termodynamiki c.d.

Zapoznanie się ze zjawiskiem Seebecka i Peltiera. Zastosowanie elementu Peltiera do chłodzenia i zamiany energii cieplnej w energię elektryczną.

Przegląd termodynamiki II

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Termodynamiczny opis przejść fazowych pierwszego rodzaju

WYKŁAD 12 ENTROPIA I NIERÓWNOŚĆ THERMODYNAMICZNA 1/10

Co to jest model Isinga?

Zaawansowane metody numeryczne Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 4. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne

Wykład Temperatura termodynamiczna 6.4 Nierówno

Fizyka statystyczna Zespół kanoniczny i wielki zespół kanoniczny Statystyki kwantowe. P. F. Góra

Podstawy termodynamiki

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Półprzewodniki. złącza p n oraz m s

teoretyczne podstawy działania

Zespół kanoniczny N,V, T. acc o n =min {1, exp [ U n U o ] }

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

Fizyka statystyczna Teoria Ginzburga-Landaua w średnim polu. P. F. Góra

Wstęp do metod numerycznych Algebraiczna metoda gradientów sprzężonych. P. F. Góra

Fizyka statystyczna Zasady Termodynamiki

Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

- prędkość masy wynikająca z innych procesów, np. adwekcji, naprężeń itd.

I. Pochodna i różniczka funkcji jednej zmiennej. 1. Definicja pochodnej funkcji i jej interpretacja fizyczna. Istnienie pochodnej funkcji.

Wstęp do metod numerycznych Metody iteracyjne i metoda gradientów. P. F. Góra

Podstawy fizyki sezon 1 X. Elementy termodynamiki

Wstęp do metod numerycznych Eliminacja Gaussa Równania macierzowe. P. F. Góra

Wstęp do metod numerycznych 11. Minimalizacja: funkcje wielu zmiennych. P. F. Góra

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Termodynamika program wykładu

Rozważmy nieustalony, adiabatyczny, jednowymiarowy ruch gazu nielepkiego i nieprzewodzącego ciepła. Mamy następujące równania rządzące tym ruchem:

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Wstęp do metod numerycznych Metody iteracyjne Algebraiczna metoda gradientów sprzężonych. P. F. Góra

Wykład 6: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

Bogdan Walkowiak. Zakład Biofizyki

Klasyczna mechanika statystyczna Gibbsa I

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Wykład FIZYKA II. 2. Prąd elektryczny. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Symetrie i prawa zachowania Wykład 6

Wykład Praca (1.1) c Całka liniowa definiuje pracę wykonaną w kierunku działania siły. Reinhard Kulessa 1

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Podstawy fizyki sezon 2 3. Prąd elektryczny

Informacja o przestrzeniach Sobolewa

Występują fluktuacje w stanie równowagi Proces przejścia do stanu równowagi jest nieodwracalny proces powrotny jest bardzo mało prawdopodobny.

Elementy fizyki statystycznej

Wstęp do metod numerycznych SVD, metody iteracyjne i metoda gradientów. P. F. Góra

Transkrypt:

Fizyka statystyczna Termodynamika bliskiej nierównowagi P. F. Góra http://th-www.if.uj.edu.pl/zfs/gora/ 2015

Nasze wszystkie dotychczasowe rozważania dotyczyły układów w równowadze termodynamicznej lub układów nieskończenie blisko stanów równowagi (procesy kwazistatyczne). Czy umiemy coś powiedzieć o układach blisko (ale nie nieskończenie blisko) równowagi? Będziemy zakładać, że w układzie istnieje równowaga lokalna, to znaczy dla całego układu lub do jego poszczególnych części można w przybliżeniu zdefiniować własności równowagowe. Copyright c 2015 P. F. Góra 15 2

Newtonowskie prawo chłodzenia (Empiryczne) prawo Fouriera przewodnictwa cieplnego głosi, że strumień ciepła jest proporcjonalny do powierzchni, przez która przenika i do różnicy temperatur: dq = λa T (1) dt Podobne prawo obowiazuje przy przekazie ciepła za pomoca konwekcji. Jeśli przyjać, że całkowite ciepło zawarte w ciele Q = C T, możemy powyższe przepisać jako dt dt = k(t T o) (2) gdzie T o < T jest temperatura otoczenia. Rozwiazaniem równania (2) jest T = T o + (T (0) T o )e kt (3) Copyright c 2015 P. F. Góra 15 3

gdzie T (0) jest poczatkow a temperatura ciała. prawo chłodzenia. Jest to Newtonowskie Podkreślamy, że choć cały układ (stygnace ciało i otoczenie, o którym zakładamy, że jego temperatura jest stała) nie jest w równowadze, do stygna- cego ciała można w przybliżeniu stosować opis równowagowy. Copyright c 2015 P. F. Góra 15 4

Przykład W pokoju hotelowym, którego temperatura była przez dłuższy czas utrzymywana w stałej wartości 20 C, znaleziono ciało. Wezwany lekarz sa- dowy o godzinie 10 20 stwierdził, że temperatura ciała zmarłego wynosi 26,7 C. Po następnej godzinie temperatura ciała zmarłego, którego nie przenoszono, wyniosła 25,8 C. O której godzinie denat zmarł? Copyright c 2015 P. F. Góra 15 5

Odstępstwa od prawa Newtona Ciała daleko od równowagi, którym nie można przypisać żadnej określonej temperatury, nie podlegaja prawu Newtona. Podobnie newtonowskie prawo chłodzenia nie stosuje się, gdy stygnace ciało nie ma temperatury jednolitej, tylko wykazuje znaczne gradienty temperatur; taka sytuacja ma miejsce na przykład w odlewnictwie (w hutnictwie). Z innych powodów newtonowskiemu prawu chłodzenia moga nie podlegać pewne układy nanoskopowe. Copyright c 2015 P. F. Góra 15 6

Odpowiedź liniowa Przypuśćmy, że pewien układ opisywany jest przez zmienne makroskopowe {x 1, x 2,..., x N }. Załóżmy, że ich wartości równowagowe wynosza zero (jest to tylko kwestia przyjęcia odpowiedniego punktu odniesienia). Niezerowe wartości x i odpowiadaja odchyleniu od równowagi. Zakładamy, że odchylenia od wartości równowagowych sa niewielkie. Spodziewamy się (na podstawie doświadczenia!), że układ będzie dażył do równowagi. Postulujemy, że, pomijajac fluktuacje (szumy), dażenie do równowagi opisywane jest przez równania liniowe ẋ i = j λ ij x j (4) Wyrazy diagonalne równań (4) przewiduja efekty w rodzaju odchylenie ciśnienia od wartości równowagowej powoduje zmianę ciśnienia w czasie. Ciekawsze sa efekty krzyżowe, do których należa, na przykład, zjawiska termoelektryczne. Copyright c 2015 P. F. Góra 15 7

Zjawiska termoelektryczne efekt Peltiera Efekt Petiera zachodzi na granicy dwu różnych przewodników lub półprzewodników, połaczonych dwoma złaczami. Podczas przepływu pradu jedo ze złacz ogrzewa się, a drugie ochładza. Ciepło pobierane przez zimne złacze i wydzielane na złaczu goracym jest opisane równaniem dq dt = Π ABI (5) W efekcie Peltiera ochładza się złacze, w którym elektrony przechodza z układu o niższym poziomie Fermiego do układu o wyższym poziomie Fermiego: Aby elektrony mogły wskoczyć na wyższy poziom Fermiego, musza skadś wziać dodatkowa energię. Biora ja z energii cieplnej układu. Na złaczu goracym zachodzi zjawisko odwrotne. Copyright c 2015 P. F. Góra 15 8

Zjawiska termoelektryczne efekt Seebecka Efekt Seebecka polega na powstawaniu siły elektromotorycznej w układzie złożonym z dwu różnych metali lub półprzewodników, gdy ich złacza sa utrzymywane w różnych temperaturach. Jest to zjawisko odwrotne do efektu Peltiera. V = (S B S A )(T 2 T 1 ) (6) Copyright c 2015 P. F. Góra 15 9

Odpowiedź liniowa i entropia Prawdopodobieństwo, że układ opisywany zmiennymi {x 1, x 2,..., x N } jak wyżej, znajdzie się w takim stanie, jest proporcjonalne do ( ) S(x1, x exp 2,..., x N ) S 0 (7) S 0 jest równowagowa gęstościa entropii. Musi to odpowiadać maksimum entropii, zatem najniższym rzędem rozwinięcia entropii jest k B S S 0 = ij β ij x i x j (8) gdzie β ij = 1 2 S (9) 2 x i x j Copyright c 2015 P. F. Góra 15 10

jest macierza symetryczna, a β ij jest dodatnio określona. Zdefiniujmy siły uogólnione (siły termodynamiczne): X i = S x i = j β ij x j (10) W tym języku (4) można przepisać w postaci ẋ i = j γ ij X j (11) Pokażemy, że macierz γ ij jest symetryczna. Copyright c 2015 P. F. Góra 15 11

Wartości oczekiwane Możemy teraz policzyć kilka wartości oczekiwanych: Xi x j = d N x e S[x] S x j x i = d N x ( e S[x] ) x j = x i Xi X j = X i ( xi x j = x i β 1 ) jk X k k k d N x e S[x] x j x i = δ ij (12) β jk x k = β ij (13) = ( β 1) ij (14) Copyright c 2015 P. F. Góra 15 12

Odwracalność w czasie Na poziomie mikroskopowym równania ruchu msza być odwracalne w czasie i niezmiennicze względem przesunięcia w czasie. Dlatego też fluktuacje musza spełniać xi (t + τ)x j (t) = x i (t τ)x j (t) = x i (t)x j (t + τ) (15) 1 τ ( x i(t + τ)x j (t) x i (t)x j (t) ) = 1 τ ( x i(t)x j (t + τ) x i (t)x j (t) )(16a) ẋ i (t)x j (t) = x i (t)ẋ j (t) (16b) Copyright c 2015 P. F. Góra 15 13

Relacje Onsagera Lars Onsager przyjał, że fluktuacje podlegaja temu samemu prawu, co wartości deterministyczne (hipoteza Onsagera), zatem ẋi (t)x j (t) = xi (t)ẋ j (t) = Wobec równości (16b) daje to k γ ik X k (t)x j (t) x i (t) k γ jk X k (t) = γ ij (17a) = γ ji (17b) γ ij = γ ji (18) Równość (18) nosi nazwę relacji wzajemności Onsagera. Copyright c 2015 P. F. Góra 15 14

Lars Onsager 1903-1976 Nagroda Nobla (z chemii) 1968 Copyright c 2015 P. F. Góra 15 15

Znaczenie relacji Onsagera Znaczenie relacji Onsagera polega na tym, że rozszerzaja one opis równowagowy na zjawiska nierównowagowe (z bliskiej nierównowagi), takie, jak prady. Relacje Onsagera podaja zwiazki pomiędzy pradami wywołanymi przez zmienne sprzężone z innymi zmiennymi, jak na przykład w zjawiskach termoelektrycznych. Zasady termodynamiki maja formę zakazów. Taka też formę maja relacje wzajemności Onsagera. Dla przykładu, gdyby macierz γ ij nie była symetryczna, możliwy byłby proces, w którym w zjawisku Peltiera wytwarzamy różnicę temperatur, której używamy do zjawiska Seebecka, uzyskujac większa siłe elektromotoryczna niż ta, której potrzebowaliśmy do zjawiska Peltiera. Relacje Onsagera stanowia, że taki proces jest niemożliwy. Copyright c 2015 P. F. Góra 15 16

Przykład: Relacje Onsagera w zjawiskach termoelektrycznych Chcemy znaleźć zwiazek pomiędzy pradem elektrycznym I a pradem ciepła W, wywołanymi przez rónicę temperatur T i różnicę potencjałów φ. Naiwnie możemy sobie wyobrażać, że ma on postać W = l 11 T + l 12 φ (19a) I = l 21 T + l 22 φ (19b) a relacje Onsagera mówia coś o zwiazku l 12 z l 21. Tak jednak nie jest. Siły termodynamiczne (10) sa (minus) pochodnymi entropii, należy więc zaczać od rozważenia zmian entropii. Mamy dwa połaczone zbiornikai ciepła i czasteczek naładowanych. Niech pierwszy zbiornik ma temperaturę T i potencjał φ = 0, drugi temperaturę Copyright c 2015 P. F. Góra 15 17

T + T i potencjał φ, przy czym T/T 1. Przypuśćmy, że dn elektronów i energia du przepłynęły z pierwszego zbiornika do drugiego. Zmiany entropii zbiorników wyniosły odpowiednio ds 1 = 1 µ(t ) du + dn (20a) T T 1 µ(t + T ) + e φ ds 2 = du dn (20b) T + T T + T Zmiana całkowitej entropii wyniosła więc ds = ds 1 + ds ( 2 T ) T 2 du + ( T e T ( ) µ T φ ) e dn (21) T Zidentyfikujmy teraz dx 1 = du, dx 2 = e dn. Z (21) mamy zatem siły Copyright c 2015 P. F. Góra 15 18

termodynamiczne X 1 = T T 2 X 2 = T e T ( ) µ T + φ T (22a) (22b) Zwiazki pomiędzy pradami W = dx 1 /dt = du/dt oraz I = dx 2 /dt = e dn/dt maja postać ( T T W = γ 11 T 2 + γ 12 ( e T T T I = γ 21 T 2 + γ 22 e T Relacje Onsagera stanowia, że γ 12 = γ 21. ( ) µ T ( ) µ T + φ ) T + φ ) T (23a) (23b) Copyright c 2015 P. F. Góra 15 19