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글 쓴 이(By): Tao (懶不自惜)
날 짜 (Date): 2001년 8월  8일 수요일 오후 03시 28분 17초
제 목(Title): 열역학 4 법칙.


에공,
그때 몰라서 뉴스그룹에 올렸었는데, 온 답 중에서,
제일 근사해 보이는 걸 올릴께요.

From michaelb@deq.state.la.us 

The so-called "Fourth Law" of thermodynamics refers to the work of Lars
Onsager and his proof that the cross coefficients for coupled effects
form a symmetrical matrix.  These coefficients are called the
"phenomenological coefficients", however, in general, they are not easily
measurable.  It had been noted for many years that the cross
coefficients, in such phenomena as the coupling of heat flow and
electrical flow in bimetallic systems (the Peltier effect) or the
coupling of  heat flow and mass flow through an orifice (the Knudsen
effect),  give rise to symmetrical coefficient matrices.

Onsager's proof demonstrated that these symmetries were not accidental
but could be proved to be the consequence of the dynamics of systems near
equilibrium.  He defined "fluxes" to be the rate of material transported
across boundaries, either physical boundaries or from one compound
identity to another. He defined "forces"  to be the difference from one
side of the boundary to the other of the entropy per unit of material.
 The vector dot product of the forces and the  fluxes give rise to the
rate of entropy production in the system.  I.e.,
    dS/dt  = Transpose(J) * X
where S is the entropy, J is a vector of the fluxes and X is a vector of
the forces. For instance the J-component for electrical currents would be
the current in Amps, and the corresponding X-component for electricity
would be the voltage divided by the temperature.  The entropy production
due to simply electrical discharge would be the power loss divided by the
temperature, or
    dS/dt = current*voltage/temperature

The so-called "phenomenological" coefficients are found in the dependence
of J upon X.  For small deviations we can usually assume the dependence
is linear such as,
    J = L X
where L is the phenomenological matrix.  So we can express the entropy
production as
    dS/dt = Transpose(X)*Transpose(L)*X
which is a set of differential equations in quadratic form.

Onsager's genius was in his statistical mechanical proof that L is
symmetric.  This proof is based on the so-called "principle of
microscopic reversibility".  This principle is nothing more than the fact
that at true equilibrium there are no net fluxes.  At the time Onsager
published his theory, microscopic reversibility had recently been put on
a sound theoretical footing by Richard Tolman in his classic treatise on
statistical thermodynamics.  A related concept used in chemistry is the
principle of "detailed balance".  "Detailed balance" simply says that at
equilibrium each reaction in a pot must be at equilibrium separate from
any other reaction in the pot.  This denies the possibility of one-way
cyclic fluxes that may, nonetheless, sustain an equilibrium concentration

of the components of the cycle.  Hence A a B a C a back to A, is not a
possible scenario in an equilibrium system. Detailed balance demands that
the processes A a B and BaA occur at the same rate at equilibrium and the
same can be said for the pair Ba C and C a B and for the pair A a C and C
a A.

The fact that L is symmetric is of limited utility to the average
scientist because most identifiable forces and fluxes when multiplied
yield energy dissipation, not entropy dissipation.  Entropy is a more
theoretical concept and not a directly measurable quantity. Also, most
complex systems of interest are driven far from equilibrium where the
linear relation between the forces and the fluxes no longer applies.


Brian Swift, Ph.D.

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