Avkoppling (fysik)

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 13 juni 2021; verifiering kräver 1 redigering .

Avslappning (från latin  relaxatio  "försvagning, reduktion") är processen att etablera termodynamisk , och därför statistisk , jämvikt i ett fysiskt system som består av ett stort antal partiklar .

Avslappning är en flerstegsprocess, eftersom inte alla fysiska parametrar i systemet (fördelning av partiklar i koordinater och moment, temperatur , tryck , koncentration i små volymer och genom hela systemet, och andra) tenderar till jämvikt i samma takt. Vanligtvis etableras först jämvikt i någon parameter (partiell jämvikt), som också kallas avslappning . Alla relaxationsprocesser är icke-jämviktsprocesser där energi försvinner i systemet, det vill säga entropi produceras ( entropin minskar inte i ett slutet system). I olika system har avslappning sina egna egenskaper, beroende på arten av interaktionen mellan systemets partiklar; därför är avslappningsprocesser väldigt olika. Tiden för att etablera jämvikt (delvis eller fullständig) i systemet kallas avslappningstiden.

Processen för att etablera jämvikt i gaser bestäms av partiklarnas fria väg och den fria vägtiden (det genomsnittliga avståndet och den genomsnittliga tiden mellan två på varandra följande kollisioner av molekyler). Förhållandet är av storleksordningen för partikelhastigheten. Mängderna och är mycket små jämfört med de makroskopiska skalorna för längd och tid. Å andra sidan, för gaser, är den genomsnittliga fria vägen mycket längre än kollisionstiden . Endast under detta tillstånd bestäms avslappning endast av parvisa kollisioner av molekyler .

Beskrivning av avslappningsprocessen

För monoatomiska gaser

I monoatomiska gaser (utan inre frihetsgrader, det vill säga endast translationella frihetsgrader) sker avslappning i två steg.

I det första skedet, på kort tid, i storleksordningen av tidpunkten för kollision mellan molekyler, blir det initiala, till och med starkt ojämviktsmässiga, tillståndet kaotiskt på ett sådant sätt att detaljerna i det initiala tillståndet blir obetydliga och kallas "förkortad beskrivning" av systemets icke-jämviktstillstånd blir möjligt, när kunskap om fördelningssannolikheten inte krävs för alla partiklar i systemet i termer av koordinater och momenta, men det räcker att veta fördelningen av en partikel i termer av koordinater och rörelsemängd beroende på tid, det vill säga molekylernas enkelpartikelfördelningsfunktion. (Alla andra fördelningsfunktioner av högre ordning, som beskriver fördelningar över tillstånden för två, tre, etc. partiklar, beror på tid endast genom en enkelpartikelfunktion).

En-partikelfunktionen uppfyller Boltzmanns kinetiska ekvation , som beskriver avslappningsprocessen . Detta stadium kallas det kinetiska stadiet och är en mycket snabb avslappningsprocess .

I det andra steget, i en tid i storleksordningen av den fria vägen för molekyler och som ett resultat av endast ett fåtal kollisioner, etableras en lokal jämvikt i makroskopiskt små volymer av systemet; den motsvarar en lokalt jämvikts-, eller kvasi-jämviktsfördelning, som kännetecknas av samma parametrar som i fallet med fullständig jämvikt i systemet, men beroende på rumsliga koordinater och tid. Dessa små volymer innehåller många fler molekyler, och eftersom de interagerar med miljön endast på sin yta, kan de betraktas som ungefär isolerade. Parametrarna för den lokala jämviktsfördelningen under avslappningsprocessen tenderar långsamt till jämvikt, och systemets tillstånd skiljer sig vanligtvis lite från jämvikten. Avslappningstid för lokal jämvikt . Efter att lokal jämvikt har etablerats, beskrivs avslappningen av systemets icke-jämviktstillstånd av ekvationerna för hydrodynamiken ( Navier-Stokes ekvationer , ekvationerna för värmeledning , diffusion , etc.). Det antas att de termodynamiska parametrarna för systemet ( densitet , temperatur, etc.) och masshastigheten (genomsnittlig massöverföringshastighet) ändras lite över tid och på avstånd . Detta stadie av avslappning kallas hydrodynamiskt. Ytterligare relaxation av systemet till ett tillstånd av fullständig statistisk jämvikt, där medelpartikelhastigheterna, medeltemperaturen, medelkoncentrationen etc. utjämnas, sker långsamt som ett resultat av ett mycket stort antal kollisioner.

Sådana processer ( viskositet , värmeledningsförmåga , diffusion , elektrisk ledningsförmåga , etc.) kallas långsamma. Motsvarande relaxationstid beror på systemets storlek och är stor jämfört med : , som inträffar vid , det vill säga för inte särskilt förtärnade gaser.

För polyatomära gaser

I polyatomiska gaser (med inre frihetsgrader) kan energiutbytet mellan translationella och interna frihetsgrader bromsas, och en avslappningsprocess inträffar , associerad med detta fenomen. Den snabbaste - under tiden för tidsordningen mellan kollisioner - jämvikten etableras i de translationella frihetsgraderna; ett sådant jämviktstillstånd kan karakteriseras av motsvarande temperatur. Jämvikten mellan de translationella och roterande frihetsgraderna etableras mycket långsammare. Excitation av vibrationsfrihetsgrader kan endast ske vid höga temperaturer. Därför, i polyatomiska gaser, är flerstegsprocesser för energiavslappning av vibrations- och rotationsfrihetsgrader möjliga.

För blandningar av gaser

I blandningar av gaser med mycket olika massor av molekyler bromsas energiutbytet mellan komponenterna, vilket gör att uppkomsten av ett tillstånd med olika temperaturer på komponenterna och processerna för avslappning av deras temperaturer är möjligt. Till exempel, i ett plasma , skiljer sig massorna av joner och elektroner mycket . Den elektroniska komponentens jämvikt etableras snabbast, sedan kommer den joniska komponenten i jämvikt, och mycket mer tid krävs för att upprätta jämvikt mellan elektroner och joner; Därför kan det i ett plasma existera tillstånd under lång tid där jon- och elektrontemperaturerna är olika och följaktligen uppstår processerna för relaxation av komponenternas temperaturer.

För vätskor

I vätskor förlorar begreppet tid och medelfri väg för partiklar (och följaktligen den kinetiska ekvationen för en en-partikelfördelningsfunktion) sin mening. En liknande roll för en vätska spelas av kvantiteterna och  - tiden och längden för korrelationen av dynamiska variabler som beskriver energi- eller momentumflödena; och karakterisera dämpningen i tid och rum av molekylernas ömsesidiga påverkan, det vill säga korrelationer. Samtidigt förblir konceptet med det hydrodynamiska avslappningsstadiet och det lokala jämviktstillståndet fullt giltigt . I makroskopiskt små vätskevolymer, men fortfarande ganska stora jämfört med korrelationslängden , etableras den lokala jämviktsfördelningen över en tid i storleksordningen av korrelationstiden som ett resultat av intensiv interaktion mellan molekyler (snarare än parkollisioner, som i en gas). ), men dessa volymer kan fortfarande betraktas som isolerade. Vid det hydrodynamiska stadiet av relaxation i en vätska uppfyller de termodynamiska parametrarna och masshastigheten samma hydrodynamiska ekvationer som för gaser (förutsatt att förändringen i termodynamiska parametrar och masshastighet är liten över tid och på avstånd ). Relaxationstiden för att fullborda termodynamisk jämvikt (precis som i en gas och en fast substans) kan uppskattas med hjälp av kinetiska koefficienter . Till exempel är koncentrationsrelaxationstiden i en binär blandning i en volym i storleksordningen , där  är diffusionskoefficienten , temperaturrelaxationstiden , var  är den termiska diffusiviteten , etc. relaxation av interna frihetsgrader ( relaxationshydrodynamik ) .

För fasta ämnen och kvantvätskor

I fasta ämnen , som i kvantvätskor , kan relaxation beskrivas som relaxation i en gas av kvasipartiklar. I det här fallet kan man införa tiden och medelfri väg för motsvarande kvasipartiklar (under förutsättning att exciteringen av systemet är liten).

Till exempel, i ett kristallgitter vid låga temperaturer, kan elastiska vibrationer tolkas som en gas av fononer . Samspelet mellan fononer leder till kvantövergångar, det vill säga till kollisioner mellan dem. Relaxation av energi i kristallgittret beskrivs av den kinetiska ekvationen för fononer. I systemet med spinnmagnetiska moment hos en ferromagnet är magnoner kvasipartiklar . Avslappning (som magnetisering ) kan beskrivas av den kinetiska ekvationen för magnoner. Relaxationen av det magnetiska momentet i en ferromagnet sker i två steg: i det första steget, på grund av den relativt starka utbytesinteraktionen, etableras jämviktsvärdet för det magnetiska momentets absoluta värde.

I det andra steget, på grund av den svaga spin-omloppsinteraktionen , orienteras det magnetiska momentet långsamt längs den lätta magnetiseringsaxeln; detta steg liknar det hydrodynamiska stadiet av relaxation i gaser.

Se även

Notera

Litteratur