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Relations réciproques d'Onsager

1930
  • Lars Onsager
Scène de laboratoire démontrant les applications de la thermoélectricité avec un refroidisseur et un générateur Peltier.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Théorème fondamental de la thermodynamique hors équilibre, ces relations expriment l'égalité de certains coefficients croisés entre les flux couplés d'énergie et de matière. Elles stipulent qu'en l'absence de champ magnétique, la matrice des coefficients de transport est symétrique : Lαβ = Lβα. Ceci relie des phénomènes de transport apparemment sans rapport, tels que… Seebeck et Peltier effets en thermoélectricité.

Les relations de réciprocité d'Onsager étendent la thermodynamique classique, qui traite principalement des systèmes à l'équilibre, aux systèmes proches de l'équilibre mais soumis à des processus irréversibles. Ces processus sont décrits par un ensemble d'équations linéaires reliant… thermodynamique Les flux (comme le flux de chaleur, le courant électrique ou la diffusion de masse) sont convertis en forces thermodynamiques (comme le gradient de température, le gradient de potentiel électrique ou le gradient de potentiel chimique). Par exemple, un flux de chaleur (Jq) peut être causé par un gradient de température (Xq) et un gradient de potentiel électrique (Xe), donc Jq = LqqXq + LqeXe.

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
Thermodynamique, physique statistique et matière condensée

Taper

Système abstrait

Perturbation

Incrémentale

Usage

Créneau/spécialité

Précurseurs

  • thermodynamique classique (première et deuxième lois)
  • des lois empiriques comme la loi de Fourier sur la conduction thermique et la loi de Fick sur la diffusion
  • discovery of various cross-phenomena like the Seebeck, Peltier, and Thomson effects
  • mécanique statistique de Ludwig Boltzmann et J. Willard Gibbs
  • Les travaux d'Einstein sur le mouvement brownien et les théorèmes de fluctuation-dissipation

Applications

  • thermoélectricité (refroidisseurs Peltier, générateurs thermoélectriques à radio-isotopes)
  • électrocinétique (électro-osmose pour la microfluidique, potentiel d'écoulement)
  • analysis of transport phenomena across biological membranes
  • science des matériaux pour la conception de matériaux multifonctionnels
  • géophysique pour la modélisation des flux couplés de chaleur et de fluides dans la croûte terrestre

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • refroidisseurs et générateurs thermoélectriques à semi-conducteurs hautement efficaces pour la récupération de chaleur perdue
  • membranes intelligentes pour la purification de l'eau qui utilisent des phénomènes de transport couplé pour réduire la consommation d'énergie
  • dispositifs de laboratoire sur puce utilisant des effets électrocinétiques contrôlés avec précision pour les diagnostics médicaux
  • capteurs multifonctionnels qui mesurent simultanément la température et la pression via des effets thermoélectriques couplés
  • modèles d'extraction d'énergie géothermique qui prédisent avec précision le transport couplé de fluides, de chaleur et de produits chimiques
  • systèmes avancés de gestion de batterie qui modélisent les flux ioniques et thermiques couplés pour éviter la dégradation
  • systèmes d'administration de médicaments autorégulés basés sur le couplage de potentiels chimiques et de gradients de pression à travers une membrane
  • predictive models for alliage corrosion that consider coupled electrochemical reactions and thermal gradients
  • circuits biologiques synthétiques qui utilisent le transport couplé à travers des membranes cellulaires modifiées pour le calcul
  • metamaterials with engineered cross-phenomena for advanced energy harvesting from multiple sources
En lien avec : relations de réciprocité d’Onsager, thermodynamique hors équilibre, phénomènes de transport, flux, forces, thermoélectricité. effet seebeck, effet Peltier, réversibilité microscopique, mécanique statistique.

Contexte historique

Relations réciproques d'Onsager

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

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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