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Relaciones recíprocas de Onsager

1930
  • Lars Onsager
Escena de laboratorio que demuestra las aplicaciones de la termoelectricidad con un refrigerador Peltier y un generador.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Un teorema clave en la termodinámica del no equilibrio, estas relaciones expresan la igualdad de ciertos coeficientes cruzados entre flujos acoplados de energía y materia. Afirman que, en ausencia de un campo magnético, la matriz de coeficientes de transporte es simétrica: [latex]L_{alphabeta} = L_{betaalpha}[/latex]. Esto vincula fenómenos de transporte aparentemente no relacionados, como el Seebeck y Peltier efectos en la termoelectricidad.

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].

The novelty of Onsager’s work, for which he won the 1968 Nobel Prize in Chemistry, was to prove that the cross-coefficient linking the electrical force to heat flow ([latex]L_{qe}[/latex]) is equal to the coefficient linking the thermal force to electric current ([latex]L_{eq}[/latex]). This symmetry is not obvious from macroscopic observation but arises from the principle of microscopic reversibility—the idea that the equations of motion for individual particles are symmetric with respect to time reversal. These relations dramatically simplified the study of complex transport phenomena by reducing the number of independent coefficients that need to be measured experimentally.

UNESCO Nomenclature: 2212
- Termodinámica, física estadística y materia condensada

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Incremental

Uso

Nicho/Especialización

Precursores

  • termodinámica clásica (primera y segunda ley)
  • leyes empíricas como la ley de conducción de calor de Fourier y la ley de difusión de Fick
  • Descubrimiento de varios fenómenos cruzados como los efectos Seebeck, Peltier y Thomson
  • Mecánica estadística de Ludwig Boltzmann y J. Willard Gibbs
  • El trabajo de Einstein sobre el movimiento browniano y los teoremas de fluctuación-disipación.

Aplicaciones

  • termoelectricidad (refrigeradores Peltier, generadores termoeléctricos de radioisótopos)
  • electrocinética (electroósmosis para microfluídica, potencial de transmisión)
  • Análisis de los fenómenos de transporte a través de membranas biológicas
  • Ciencia de los materiales para el diseño de materiales multifuncionales
  • Geofísica para modelar el flujo acoplado de calor y fluidos en la corteza terrestre.

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

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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.

Contexto histórico

Relaciones recíprocas de Onsager

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1933

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

Invención, innovación y principios técnicos relacionados.

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