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Relações Recíprocas de Onsager

1930
  • Lars Onsager
Cena de laboratório demonstrando aplicações de termoeletricidade com resfriador e gerador Peltier.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Um teorema fundamental na termodinâmica de não equilíbrio, essas relações expressam a igualdade de certos coeficientes cruzados entre fluxos acoplados de energia e matéria. Elas afirmam que, na ausência de um campo magnético, a matriz de coeficientes de transporte é simétrica: [latex]L_{alphabeta} = L_{betaalpha}[/latex]. Isso conecta fenômenos de transporte aparentemente não relacionados, como o Seebeck e Peltier efeitos na termoeletricidade.

As relações recíprocas de Onsager estendem a termodinâmica clássica, que lida principalmente com sistemas em equilíbrio, a sistemas próximos do equilíbrio, mas que sofrem processos irreversíveis. Esses processos são descritos por um conjunto de equações lineares que relacionam termodinâmica ¡fluxos¡ (como fluxo de calor, corrente elétrica ou difusão de massa) para ¡forças¡ termodinâmicas (como gradiente de temperatura, gradiente de potencial elétrico ou gradiente de potencial químico). Por exemplo, um fluxo de calor ([latex]J_q[/latex]) pode ser causado por um gradiente de temperatura ([latex]X_q[/latex]) e um gradiente de potencial elétrico ([latex]X_e[/latex]), então [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
Termodinâmica, física estatística e matéria condensada

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Incremental

Uso

Nicho/Especializado

Precursores

  • Termodinâmica clássica (Primeira e Segunda Leis)
  • leis empíricas como a lei de Fourier da condução de calor e a lei de Fick da difusão
  • discovery of various cross-phenomena like the Seebeck, Peltier, and Thomson effects
  • Mecânica estatística de Ludwig Boltzmann e J. Willard Gibbs
  • O trabalho de Einstein sobre o movimento browniano e os teoremas de flutuação-dissipação.

Aplicações

  • termoeletricidade (refrigeradores Peltier, geradores termoelétricos de radioisótopos)
  • eletrocinética (eletro-osmose para microfluídica, potencial de fluxo)
  • analysis of transport phenomena across biological membranes
  • ciência dos materiais para o desenvolvimento de materiais multifuncionais
  • Geofísica para modelagem do fluxo acoplado de calor e fluidos na crosta terrestre

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • highly efficient solid-state thermoelectric coolers and generators for waste heat recovery
  • smart membranes for water purification that use coupled transport phenomena to reduce energy consumption
  • lab-on-a-chip devices using precisely controlled electrokinetic effects for medical diagnostics
  • multi-functional sensors that measure temperature and pressure simultaneously via coupled thermoelectric effects
  • geothermal energy extraction models that accurately predict coupled fluid, heat, and chemical transport
  • advanced battery management systems that model coupled ionic and thermal fluxes to prevent degradation
  • self-regulating drug delivery systems based on coupled chemical potential and pressure gradients across a membrane
  • predictive models for liga corrosion that consider coupled electrochemical reactions and thermal gradients
  • synthetic biological circuits that utilize coupled transport across engineered cell membranes for computation
  • metamaterials with engineered cross-phenomena for advanced energy harvesting from multiple sources
Relacionado a: relações recíprocas de Onsager, termodinâmica de não equilíbrio, fenômenos de transporte, fluxos, forças, termoeletricidade. efeito Seebeck, Efeito Peltier, reversibilidade microscópica, mecânica estatística.

Contexto histórico

Relações Recíprocas de Onsager

1927
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1930
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1931
1932
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1933

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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