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Relazioni reciproche Onsager

1930
  • Lars Onsager
Scena di laboratorio che dimostra le applicazioni della termoelettricità con il raffreddatore e il generatore di Peltier.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Un teorema chiave nella termodinamica di non equilibrio, queste relazioni esprimono l'uguaglianza di certi coefficienti incrociati tra flussi accoppiati di energia e materia. Affermano che in assenza di un campo magnetico, la matrice dei coefficienti di trasporto è simmetrica: [latex]L_{alphabeta} = L_{betaalpha}[/latex]. Questo collega fenomeni di trasporto apparentemente non correlati, come il Seebeck E Peltier effetti nella termoelettricità.

Le relazioni reciproche di Onsager estendono la termodinamica classica, che si occupa principalmente di sistemi in equilibrio, a sistemi che sono vicini all'equilibrio ma che subiscono processi irreversibili. Questi processi sono descritti da un insieme di equazioni lineari che li mettono in relazione termodinamico flussi (come flusso di calore, corrente elettrica o diffusione di massa) a forze termodinamiche (come gradiente di temperatura, gradiente di potenziale elettrico o gradiente di potenziale chimico). Ad esempio, un flusso di calore (J_q) può essere causato da un gradiente di temperatura (X_q) e da un gradiente di potenziale elettrico (X_e), quindi J_q = L_{qq}X_q + L_{qe}X_e.

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
- Termodinamica, fisica statistica e materia condensata

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Incrementale

Utilizzo

Nicchia/Specializzato

Precursori

  • termodinamica classica (prima e seconda legge)
  • leggi empiriche come la legge di Fourier sulla conduzione del calore e la legge di Fick sulla diffusione
  • discovery of various cross-phenomena like the Seebeck, Peltier, and Thomson effects
  • meccanica statistica di Ludwig Boltzmann e J. Willard Gibbs
  • Il lavoro di Einstein sul moto browniano e sui teoremi di fluttuazione-dissipazione

Applicazioni

  • termoelettricità (raffreddatori Peltier, generatori termoelettrici a radioisotopi)
  • elettrocinetica (elettrosmosi per microfluidica, potenziale di streaming)
  • analysis of transport phenomena across biological membranes
  • scienza dei materiali per la progettazione di materiali multifunzionali
  • geofisica per la modellazione del flusso accoppiato di calore e fluidi nella crosta terrestre

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • refrigeratori e generatori termoelettrici a stato solido ad alta efficienza per il recupero del calore di scarto
  • membrane intelligenti per la purificazione dell'acqua che sfruttano fenomeni di trasporto accoppiati per ridurre il consumo energetico
  • dispositivi lab-on-a-chip che utilizzano effetti elettrocinetici controllati con precisione per la diagnostica medica
  • sensori multifunzionali che misurano simultaneamente temperatura e pressione tramite effetti termoelettrici accoppiati
  • modelli di estrazione di energia geotermica che prevedono accuratamente il trasporto accoppiato di fluidi, calore e sostanze chimiche
  • sistemi avanzati di gestione delle batterie che modellano flussi ionici e termici accoppiati per prevenire il degrado
  • sistemi di rilascio di farmaci autoregolanti basati su gradienti di potenziale chimico e pressione accoppiati attraverso una membrana
  • predictive models for lega corrosion that consider coupled electrochemical reactions and thermal gradients
  • circuiti biologici sintetici che utilizzano il trasporto accoppiato attraverso membrane cellulari ingegnerizzate per il calcolo
  • metamaterials with engineered cross-phenomena for advanced energy harvesting from multiple sources
Correlato a: relazioni reciproche di Onsager, termodinamica di non equilibrio, fenomeni di trasporto, flussi, forze, termoelettricità, effetto seebeck, effetto Peltierreversibilità microscopica, meccanica statistica.

Contesto storico

Relazioni reciproche Onsager

1927
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1930
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1931
1932
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1933

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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