معادلة نيرنست

يصف توزيع بولتزمان احتمال أن يكون نظام ما في حالة توازن حراري عند درجة حرارة T في حالة صغرى محددة ذات طاقة E. يتناسب هذا الاحتمال مع عامل بولتزمان، [latex]e ^{-E/ k_B T}[/latex]. ويعني ذلك أن الحالات ذات الطاقة المنخفضة من المرجح أن تكون مشغولة أضعافًا مضاعفة أكثر من الحالات ذات الطاقة الأعلى، مع تعديل درجة الحرارة لهذا التفضيل.

تربط هذه الصيغة التأسيسية بين الكمية الديناميكية الحرارية العيانية للانتروبي (S) وعدد الترتيبات الميكروسكوبية الممكنة، أو الحالات الميكروية (W)، المناظرة للحالة العيانية للنظام. تكشف المعادلة، [latex]TS = k_B \n W[/latex]، أن الإنتروبيا هي مقياس للاضطراب الإحصائي أو العشوائية. والثابت [latex]k_B[/latex] هو ثابت بولتزمان الذي يربط الطاقة على مستوى الجسيمات بدرجة الحرارة.

التكثيف القصي، أو التمدد، هو سلوك غير نيوتوني، حيث تزداد اللزوجة مع معدل إجهاد القص. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك معلق نشا الذرة في الماء (أوبليك)، الذي يبدو سائلاً عند تحريكه ببطء، ولكنه يكاد يكون صلباً عند صدمه أو تحريكه بسرعة. تحدث هذه الظاهرة بسبب انحشار الجسيمات العالقة تحت تأثير قص عالٍ.

تتولد القوة الكهرومغناطيسية الحركية عندما يتحرك موصل خلال مجال مغناطيسي. وتؤثر المركبة المغناطيسية لقوة لورنتز، [latex]\mathbf{F} = q(\mathbf{v} \times \mathbf{B})[/latex]، على حاملات الشحنة داخل الموصل، مما يتسبب في تحركها وتوليد فصل للشحنة. ويؤدي هذا الفصل إلى نشوء مجال كهربي وفرق جهد. ويُعطى القوة الكهرومغناطيسية الناتجة عن طريق التكامل الخطي [latex]\mathbf{v} \times \mathbf{B}) \cdot d\mathbf{l}[/latex].

في نظام في حالة التوازن الديناميكي الحراري، يجب أن يكون الجهد الكهروكيميائي، [latex] \nbar{\mu}_i[/latex]، لأي نوع مشحون معين \i' منتظمًا في جميع المراحل. في حالة وجود تدرج ([latex]\nabla \bar \\\mu_i \nneq 0[/latex])، ستتحرك الأيونات تلقائيًا من مناطق ذات إمكانات أعلى إلى إمكانات أقل، مما يخلق تيارًا أو تدفقًا، حتى يتم التخلص من هذا التدرج وإعادة التوازن.

الطاقة ليست متصلة ولكنها تأتي في حزم منفصلة تسمى كوانتا. وتتناسب الطاقة [latex]E[/latex] لكمية واحدة من الإشعاع الكهرومغناطيسي (فوتون) تناسباً طردياً مع تردده [latex]E \nu[/latex]. وتُعرَّف هذه العلاقة بعلاقة بلانك-آينشتاين، [latex]E = h\nu[/latex]، حيث [latex]h[/latex] هو ثابت بلانك. هذا المفهوم يتحدى الفيزياء الكلاسيكية بشكل أساسي.

هذه هي الصورة التفاضلية لقانون فاراداي للحث، وهي إحدى معادلات ماكسويل الأربع. وينص هذا القانون على أن المجال المغناطيسي المتغير زمنيًّا ([latex]\mathbf{B}[/latex]) يصاحب دائمًا مجالًا كهربيًّا متغيرًا مكانيًّا وغير محافظ ([latex]\mathbf{E}[/latex]). يتم التعبير عن العلاقة على النحو التالي: [latex] \nنبلا \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}[/latex]. تتحكم هذه المعادلة في كيفية توليد المجالات المغناطيسية المتغيرة لمجالات كهربائية عند نقطة محددة في الفضاء.

القوة الدافعة الكهربائية (EMF) وفرق الجهد الكهربائي (الجهد) مفهومان مختلفان، على الرغم من أن كليهما يُقاس بالفولت. القوة الدافعة الكهربائية هي الشغل المبذول لكل وحدة شحنة بواسطة قوة غير محافظة (مثل التفاعل الكيميائي أو المجال المغناطيسي المتغير) لتحريك الشحنة داخل مصدر. أما فرق الجهد فهو الشغل المبذول لكل وحدة شحنة بواسطة المجال الكهروستاتيكي المحافظ بين نقطتين.

إن عدد رينولدز ([latex]\{Re}[/latex]) هو كمية بلا أبعاد في ميكانيكا الموائع تستخدم للتنبؤ بأنماط التدفق من خلال تمثيل نسبة قوى القصور الذاتي إلى قوى اللزوجة. وتميز أعداد رينولدز المنخفضة التدفق الصفحي السلس والمنظم، بينما تشير أعداد رينولدز العالية إلى التدفق المضطرب الفوضوي المملوء بالدوامات. وهي ضرورية لتحديد السلوك الديناميكي للسريان الديناميكي للسائل ولتجارب القياس.

عدد ماخ (M) هو كمية بلا أبعاد تمثل نسبة سرعة التدفق عبر الحد الفاصل إلى سرعة الصوت المحلية: [latex]M = v/a[/latex]، حيث v هي سرعة التدفق وa هي سرعة الصوت. وهو المؤشر الأساسي لتأثيرات الانضغاطية. عندما يقترب رقم ماخ من 1 ويتجاوزه، تتغير كثافة الهواء بشكل كبير، مما يغير القوى الديناميكية الهوائية.

في الخلايا الكهروكيميائية مثل البطاريات وخلايا الوقود، يتولد التردد الكهروكيميائي عن طريق التفاعلات الكيميائية. ويتم فصل الشحنة عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث عند قطبين مختلفين. ويرتبط الحد الأقصى للتردد الكهروكيميائي للخلية بالتغير في طاقة جيبس الحرة ([latex] \Delta G[/latex]) للتفاعل بواسطة [latex] \mathcal{E} = - \frac{\Delta G}{nF}[/latex]، حيث [latex]n[/latex] هو مول الإلكترونات و[latex]F[/latex] هو ثابت فاراداي.

معادلات رينولدز-نافييه-ستوكس المتوسطة (RANS) هي معادلات حركة بمتوسط ​​زمني لتدفق السوائل المضطربة. يُسمى هذا النهج تحليل رينولدز، ويفصل متغيرات التدفق إلى متوسط ​​ومكون متقلب. تُدخل عملية المتوسط ​​مصطلحًا إضافيًا، وهو موتر رينولدز للإجهاد، الذي يُمثل تأثير الاضطراب، ويجب نمذجته لتحقيق التكامل، مما يجعل عمليات المحاكاة سهلة الحساب.

لا يمكن قياس الجهد الكهروكيميائي المطلق لقطب كهربائي واحد. وبدلاً من ذلك، تُقاس الإمكانات بالنسبة إلى مرجع مقبول عالميًا. ويُعد قطب الهيدروجين القياسي (SHE) هو المرجع الأساسي، حيث يتم تعيين جهد 0 فولت بالضبط في ظل الظروف القياسية (تركيز 1 ميلي فولت [latex]H^+[/latex]، 1 بار [latex]H_2[/latex]، 298 كلفن). يتم الإبلاغ عن جميع إمكانات الأقطاب القياسية الأخرى بالنسبة إلى نقطة الصفر هذه.

تقيس نظرية كوتا-جوكوفسكي قوة الرفع التي يولدها الجنيح الهوائي. وتنص هذه النظرية على أن الرفع لكل وحدة امتداد ([latex]L'[/latex]) يتناسب طرديًا مع كثافة المائع ([latex]\rho[/latex])، وسرعة التيار الحر ([latex]V[/latex])، والدوران ([latex]\Gamma[/latex]) حول الجسم: [latex]L'= \rho V \Gamma[/latex]. وهذا يربط بين المفهوم المجرد للدوران والقوة الفيزيائية للرفع.