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Relaciones recíprocas de Onsager

1930
  • Lars Onsager
Laboratory scene demonstrating thermoelectricity applications with Peltier cooler and generator.

(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.

Las relaciones recíprocas de Onsager extienden la termodinámica clásica, que trata principalmente de sistemas en equilibrio, a sistemas que están cerca del equilibrio pero que experimentan procesos irreversibles. Estos procesos se describen mediante un conjunto de ecuaciones lineales que relacionan termodinámica 𝘃𝘂

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
– Thermodynamics, statistical physics, and condensed matter

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Incremental

Uso

Niche/Specialized

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
  • discovery of various cross-phenomena like the Seebeck, Peltier, and Thomson effects
  • 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)
  • analysis of transport phenomena across biological membranes
  • 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

  • Enfriadores y generadores termoeléctricos de estado sólido de alta eficiencia para la recuperación de calor residual
  • Membranas inteligentes para la purificación de agua que utilizan fenómenos de transporte acoplados para reducir el consumo de energía
  • Dispositivos de laboratorio en un chip que utilizan efectos electrocinéticos controlados con precisión para diagnósticos médicos
  • sensores multifuncionales que miden la temperatura y la presión simultáneamente mediante efectos termoeléctricos acoplados
  • Modelos de extracción de energía geotérmica que predicen con precisión el transporte acoplado de fluidos, calor y sustancias químicas.
  • Sistemas avanzados de gestión de baterías que modelan flujos iónicos y térmicos acoplados para evitar la degradación
  • Sistemas autorreguladores de administración de fármacos basados ​​en gradientes de presión y potencial químico acoplados a través de una membrana
  • predictive models for alloy corrosion that consider coupled electrochemical reactions and thermal gradients
  • Circuitos biológicos sintéticos que utilizan el transporte acoplado a través de membranas celulares diseñadas para la computación.
  • metamaterials with engineered cross-phenomena for advanced energy harvesting from multiple sources
Relacionado con: relaciones recíprocas de Onsager, termodinámica del no equilibrio, fenómenos de transporte, flujos, fuerzas, termoelectricidad, seebeck effect, Efecto Peltier, reversibilidad microscópica, mecánica estadística.

Contexto histórico

Relaciones recíprocas de Onsager

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

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

décimo año aniversario

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