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Onsager-Reziproke Beziehungen

1930
  • Lars Onsager
Laborszene zur Demonstration von Thermoelektrizitätsanwendungen mit Peltier-Kühler und Generator.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Diese Beziehungen, ein Schlüsselsatz der Nichtgleichgewichtsthermodynamik, drücken die Gleichheit bestimmter Kreuzkoeffizienten zwischen gekoppelten Energie- und Materieströmen aus. Sie besagen, dass bei Abwesenheit eines Magnetfeldes die Matrix der Transportkoeffizienten symmetrisch ist: [latex]L_{\alpha\beta} = L_{\beta\alpha}[/latex]. Dies verknüpft scheinbar nicht zusammenhängende Transportphänomene, wie die Seebeck Und Peltier Effekte in der Thermoelektrik.

The Onsager reciprocal relations extend classical thermodynamics, which primarily deals with systems in equilibrium, to systems that are near equilibrium but experiencing irreversible processes. These processes are described by a set of linear equations relating thermodynamic ‘fluxes’ (like heat flow, electric current, or mass diffusion) to thermodynamic ‘forces’ (like temperature gradient, electric potential gradient, or chemical potential gradient). For example, a heat flux ([latex]J_q[/latex]) can be caused by a temperature gradient ([latex]X_q[/latex]) and an electric potential gradient ([latex]X_e[/latex]), so [latex]J_q = L_{qq}X_q + L_{qe}X_e[/latex].

Das Neue an Onsagers Arbeit, für die er 1968 den Nobelpreis für Chemie erhielt, war der Nachweis, dass der Kreuzkoeffizient, der die elektrische Kraft mit dem Wärmestrom verbindet ([latex]L_{qe}[/latex]), gleich dem Koeffizienten ist, der die Wärmekraft mit dem elektrischen Strom verbindet ([latex]L_{eq}[/latex]). Diese Symmetrie ist aus der makroskopischen Beobachtung nicht ersichtlich, sondern ergibt sich aus dem Prinzip der mikroskopischen Reversibilität, d. h. der Vorstellung, dass die Bewegungsgleichungen für einzelne Teilchen in Bezug auf die Zeitumkehr symmetrisch sind. Diese Beziehungen vereinfachten die Untersuchung komplexer Transportphänomene erheblich, da sie die Anzahl der unabhängigen Koeffizienten, die experimentell gemessen werden müssen, reduzierten.

UNESCO Nomenclature: 2212
- Thermodynamik, statistische Physik und kondensierte Materie

Typ

Abstraktes System

Störung

Inkremental

Verwendung

Nische/Spezialisiert

Vorläufer

  • klassische Thermodynamik (Erster und Zweiter Hauptsatz)
  • empirische Gesetze wie das Fourier'sche Gesetz der Wärmeleitung und das Fick'sche Gesetz der Diffusion
  • Entdeckung verschiedener Kreuzphänomene wie Seebeck-, Peltier- und Thomson-Effekte
  • Statistische Mechanik von Ludwig Boltzmann und J. Willard Gibbs
  • Einsteins Arbeiten zur Brownschen Bewegung und zum Fluktuations-Dissipations-Theorem

Anwendungen

  • Thermoelektrizität (Peltier-Kühler, thermoelektrische Radioisotopengeneratoren)
  • Elektrokinetik (Elektroosmose für Mikrofluidik, Strömungspotential)
  • Analyse von Transportphänomenen durch biologische Membranen
  • Materialwissenschaft zur Entwicklung multifunktionaler Materialien
  • Geophysik für die Modellierung gekoppelter Wärme- und Flüssigkeitsströme in der Erdkruste

Patente:

NA

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Related to: Onsager reciprocal relations, non-equilibrium thermodynamics, transport phenomena, fluxes, forces, thermoelectricity, seebeck effect, Peltier effect, microscopic reversibility, statistical mechanics.

Historischer Kontext

Onsager-Reziproke Beziehungen

1927
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1930
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1931
1932
1926
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1932
1933

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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