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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.

Die reziproken Beziehungen von Onsager erweitern die klassische Thermodynamik, die sich in erster Linie mit Systemen im Gleichgewicht befasst, auf Systeme, die sich in der Nähe des Gleichgewichts befinden, aber irreversible Prozesse durchlaufen. Diese Prozesse werden durch eine Reihe von linearen Gleichungen beschrieben, die Folgendes miteinander verbinden thermodynamisch Flüsse (wie Wärmefluss, elektrischer Strom oder Stoffdiffusion) werden thermodynamischen Kräften (wie Temperaturgradienten, Gradienten des elektrischen Potenzials oder Gradienten des chemischen Potenzials) zugeordnet. Beispielsweise kann ein Wärmefluss (Jq) durch einen Temperaturgradienten (Xq) und einen Gradienten des elektrischen Potenzials (Xe) verursacht werden, sodass Jq = LqqXq + LqeXe.

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
  • discovery of various cross-phenomena like the Seebeck, Peltier, and Thomson effects
  • 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)
  • analysis of transport phenomena across biological membranes
  • Materialwissenschaft zur Entwicklung multifunktionaler Materialien
  • Geophysik für die Modellierung gekoppelter Wärme- und Flüssigkeitsströme in der Erdkruste

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • hocheffiziente thermoelektrische Festkörperkühler und Generatoren zur Abwärmerückgewinnung
  • intelligente Membranen zur Wasserreinigung, die gekoppelte Transportphänomene nutzen, um den Energieverbrauch zu senken
  • Lab-on-a-Chip-Geräte, die präzise kontrollierte elektrokinetische Effekte für die medizinische Diagnostik nutzen
  • multifunktionale Sensoren, die Temperatur und Druck gleichzeitig über gekoppelte thermoelektrische Effekte messen
  • Modelle zur Gewinnung geothermischer Energie, die den gekoppelten Transport von Flüssigkeiten, Wärme und Chemikalien genau vorhersagen
  • fortschrittliche Batteriemanagementsysteme, die gekoppelte Ionen- und Wärmeflüsse modellieren, um eine Degradation zu verhindern
  • selbstregulierende Arzneimittelabgabesysteme basierend auf gekoppelten chemischen Potenzial- und Druckgradienten über eine Membran
  • predictive models for Legierung corrosion that consider coupled electrochemical reactions and thermal gradients
  • synthetische biologische Schaltkreise, die gekoppelten Transport über konstruierte Zellmembranen für Berechnungen nutzen
  • metamaterials with engineered cross-phenomena for advanced energy harvesting from multiple sources
Verwandt mit: Gegenseitige Onsager-Beziehungen, Nichtgleichgewichtsthermodynamik, Transportphänomene, Flüsse, Kräfte, Thermoelektrizität, Seebeck-Effekt, Peltier-Effekt, mikroskopische Reversibilität, statistische Mechanik.

Historischer Kontext

Onsager-Reziproke Beziehungen

1927
1927
1930
1930
1930
1931
1932
1927
1927
1930
1930
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1931
1932
1933

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

10. Jahr Jubiläum

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