Afslapning (fysik)

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 13. juni 2021; verifikation kræver 1 redigering .

Afslapning (fra latin  relaxatio  "svækkelse, reduktion") er processen med at etablere termodynamisk , og derfor statistisk , ligevægt i et fysisk system bestående af et stort antal partikler .

Afslapning er en flertrinsproces, da ikke alle fysiske parametre i systemet (fordeling af partikler i koordinater og momenta, temperatur , tryk , koncentration i små volumener og gennem hele systemet og andre) har tendens til ligevægt med samme hastighed. Normalt etableres ligevægt først i en eller anden parameter (partiel ligevægt), som også kaldes afslapning . Alle afslapningsprocesser er ikke-ligevægtsprocesser, hvor energi spredes i systemet, det vil sige, at der produceres entropi ( entropien falder ikke i et lukket system). I forskellige systemer har afslapning sine egne karakteristika, afhængig af arten af ​​samspillet mellem systemets partikler; derfor er afslapningsprocesser meget forskellige. Tiden til at etablere ligevægt (delvis eller fuldstændig) i systemet kaldes afslapningstiden.

Processen med at etablere ligevægt i gasser bestemmes af partiklernes frie vej og den frie vejtid (den gennemsnitlige afstand og gennemsnitlige tid mellem to på hinanden følgende kollisioner af molekyler). Forholdet er af størrelsesordenen af ​​partikelhastigheden. Mængderne og er meget små sammenlignet med de makroskopiske skalaer for længde og tid. På den anden side, for gasser, er den gennemsnitlige frie vej meget længere end kollisionstiden . Kun under denne betingelse bestemmes afslapning kun af parvise kollisioner af molekyler .

Beskrivelse af afslapningsprocessen

For monoatomiske gasser

I monoatomiske gasser (uden interne frihedsgrader, det vil sige kun at have translationelle frihedsgrader) , sker afslapning i to trin.

I det første trin, i løbet af kort tid, i størrelsesordenen af ​​tidspunktet for kollisionen af ​​molekyler, bliver den indledende, endda stærkt uligevægtige, tilstand kaotisk på en sådan måde, at detaljerne i den oprindelige tilstand bliver ubetydelige og den så- kaldet "forkortet beskrivelse" af systemets ikke-ligevægtstilstand bliver mulig, når der ikke kræves kendskab til fordelingssandsynligheden for alle systemets partikler i form af koordinater og momenta, men det er nok at kende fordelingen af ​​en partikel i termer af koordinater og momentum afhængig af tid, det vil sige molekylers enkeltpartikelfordelingsfunktion. (Alle andre fordelingsfunktioner af højere orden, der beskriver fordelinger over tilstandene af to, tre, osv. partikler, afhænger kun af tid gennem en enkelt-partikel funktion).

En-partikelfunktionen opfylder Boltzmann kinetiske ligning , som beskriver afslapningsprocessen . Dette stadie kaldes det kinetiske stadie og er en meget hurtig afslapningsproces .

På det andet trin, i en tid af størrelsesordenen for molekylernes frie vej, og som et resultat af kun få kollisioner, etableres en lokal ligevægt i makroskopisk små volumener af systemet; det svarer til en lokal ligevægts- eller kvasi-ligevægtsfordeling, som er karakteriseret ved de samme parametre som ved fuldstændig ligevægt i systemet, men afhængig af rumlige koordinater og tid. Disse små volumener indeholder mange flere molekyler, og da de kun interagerer med miljøet på deres overflade, kan de betragtes som tilnærmelsesvis isolerede. Parametrene for den lokale ligevægtsfordeling under afslapningsprocessen har langsomt tendens til ligevægt, og systemets tilstand afviger normalt lidt fra ligevægten. Afslapningstid for lokal ligevægt . Efter at lokal ligevægt er blevet etableret, beskrives afslapningen af ​​systemets ikke-ligevægtstilstand ved hydrodynamikkens ligninger ( Navier-Stokes-ligningerne , ligningerne for varmeledning , diffusion osv.). Det antages, at systemets termodynamiske parametre ( densitet , temperatur osv.) og massehastigheden (gennemsnitlig masseoverførselshastighed) ændrer sig lidt over tid og på afstand . Denne fase af afslapning kaldes hydrodynamisk. Yderligere lempelse af systemet til en tilstand af fuldstændig statistisk ligevægt , hvor de gennemsnitlige partikelhastigheder, gennemsnitstemperaturen, gennemsnitskoncentrationen osv. udlignes, sker langsomt som følge af et meget stort antal kollisioner.

Sådanne processer ( viskositet , termisk ledningsevne , diffusion , elektrisk ledningsevne osv.) kaldes langsomme. Den tilsvarende afslapningstid afhænger af systemets størrelse og er stor i forhold til : , som opstår ved , det vil sige for ikke særlig fortærnede gasser.

For polyatomiske gasser

I polyatomiske gasser (med interne frihedsgrader) kan energiudvekslingen mellem translationelle og interne frihedsgrader bremses, og der opstår en afslapningsproces , forbundet med dette fænomen. Den hurtigste - i tidsordenen mellem kollisioner - er ligevægten etableret i de translationelle frihedsgrader; en sådan ligevægtstilstand kan karakteriseres ved den tilsvarende temperatur. Ligevægten mellem de translationelle og roterende frihedsgrader etableres meget langsommere. Excitation af vibrationsfrihedsgrader kan kun forekomme ved høje temperaturer. Derfor er flertrinsprocesser til energiafslapning af vibrations- og rotationsfrihedsgrader mulige i polyatomiske gasser .

For blandinger af gasser

I blandinger af gasser med meget forskellige molekylmasser sænkes energiudvekslingen mellem komponenterne, hvilket resulterer i, at fremkomsten af ​​en tilstand med forskellige temperaturer af komponenterne og processerne til afslapning af deres temperaturer er mulig. For eksempel i et plasma er masserne af ioner og elektroner meget forskellige . Ligevægten for den elektroniske komponent etableres hurtigst, derefter kommer den ioniske komponent i ligevægt, og der kræves meget mere tid til at etablere ligevægt mellem elektroner og ioner; Derfor kan der i et plasma eksistere tilstande i lang tid, hvor ion- og elektrontemperaturerne er forskellige, og som følge heraf opstår processerne med afslapning af komponenternes temperaturer.

Til væsker

I væsker mister begrebet tid og middel fri vej for partikler (og følgelig den kinetiske ligning for en en-partikelfordelingsfunktion) sin betydning. En lignende rolle for en væske spilles af mængderne og  - tiden og længden af ​​korrelationen af ​​dynamiske variabler, der beskriver energi- eller momentumstrømmene; og karakterisere dæmpningen i tid og rum af den gensidige påvirkning af molekyler, det vil sige korrelationer. Samtidig forbliver konceptet om det hydrodynamiske afslapningsstadium og den lokale ligevægtstilstand fuldt ud gyldigt . I makroskopisk små væskevolumener, men stadig ret store sammenlignet med korrelationslængden , etableres den lokale ligevægtsfordeling over en tid af størrelsesordenen af ​​korrelationstiden som et resultat af intens interaktion mellem molekyler (snarere end parkollisioner, som i en gas) ), men disse volumener kan stadig betragtes som isolerede. På det hydrodynamiske stadie af afslapning i en væske opfylder de termodynamiske parametre og massehastighed de samme hydrodynamiske ligninger som for gasser (forudsat at ændringen i termodynamiske parametre og massehastighed er lille over tid og på afstand ). Relaksationstiden til at fuldføre termodynamisk ligevægt (ligesom i en gas og et fast stof) kan estimeres ved hjælp af de kinetiske koefficienter . For eksempel er koncentrationsrelaksationstiden i en binær blanding i et volumen i størrelsesordenen , hvor  er diffusionskoefficienten , temperaturrelaksationstiden , hvor  er den termiske diffusivitet osv. relaksation af interne frihedsgrader ( relaksationshydrodynamik ) .

Til faste stoffer og kvantevæsker

I faste stoffer , som i kvantevæsker , kan afslapning beskrives som afslapning i en gas af kvasipartikler. I dette tilfælde kan man indføre tiden og den gennemsnitlige frie vej for de tilsvarende kvasipartikler (under den betingelse, at excitationen af ​​systemet er lille).

For eksempel i et krystalgitter ved lave temperaturer kan elastiske vibrationer fortolkes som en gas af fononer . Samspillet mellem fononer fører til kvanteovergange, det vil sige til kollisioner mellem dem. Afslapning af energi i krystalgitteret er beskrevet af den kinetiske ligning for fononer. I systemet med spinmagnetiske momenter af en ferromagnet er magnoner kvasipartikler . Afslapning (såsom magnetisering ) kan beskrives ved den kinetiske ligning for magnoner. Relaksationen af ​​det magnetiske moment i en ferromagnet sker i to trin: i det første trin, på grund af den relativt stærke udvekslingsinteraktion, etableres ligevægtsværdien af ​​det magnetiske moments absolutte værdi.

På det andet trin, på grund af den svage spin-kredsløbsinteraktion , orienteres det magnetiske moment langsomt langs den lette magnetiseringsakse; dette trin ligner det hydrodynamiske trin af afslapning i gasser.

Se også

Bemærk

Litteratur