昂萨格人际关系
昂萨格互反关系是热力学和统计力学中的一个重要概念，特别是在考虑非平衡系统时。 Lars Onsager 提出这一原理，他于 1968 年获得诺贝尔化学奖，这一原理提供了关于热力学系统接近平衡时线性响应的洞察。让我们进一步讨论这一主题，深入了解其重要性。
非平衡热力学导论
在平衡热力学中，系统通常处于宏观性质随时间不变的状态。然而，许多现实世界的过程远未达到平衡，系统会经历温度、压力或化学势等梯度。非平衡热力学旨在描述这些过程。
考虑一个孤立的系统，其中存在某些流（如热量或物质）和力（如梯度）。这些力会将系统推离平衡，产生可测量的流动。
基本原理
Onsager 的方法是研究系统中的力和流（通量）。他认识到，系统中的通量可以表示为施加在系统上的所有力的线性组合：
j i = Σ L ij x j
这里，J i 表示通量（例如，热通量、粒子通量），X j 表示热力学力（例如，温度或化学势梯度），而 L ij 是将它们联系起来的现象学系数。
Onsager 的人际关系理论
Onsager 的互反关系指出，系统接近平衡时，现象学系数是对称的：
L i j = L g
这种对称性意味着力 X j 对通量 J i 的影响等于力 X i 对通量 J j 的影响。
与微观可逆性的关系
互反关系源于微观可逆性原理，该原理指出物理学的微观定律在时间上是可逆的。这种可逆性是统计力学中的一个关键概念。
数学示例
考虑具有两种类型通量的系统，例如热通量和粒子通量。假设我们有：
J 1 = L 11 x 1 + L 12 x 2
J 2 = L 21 x 1 + L 22 x 2
这里，J 1 可以是热通量，J 2 可以是粒子通量。根据 Onsager 的关系，L 12 = L 21。
示例：热电效应
在热电设备中，温度梯度可以诱导电流（Seebeck 效应），反之亦然，电流可以导致温度梯度（Peltier 效应）。这些效应可以描述如下：
J q = L qq ΔT + L qi ΔV
J E = L EQ ΔT + L EE ΔV
这里，J q 是热通量，J e 是电流密度，ΔT 是温差，ΔV 是电压差。 Onsager 的互反关系指出 L qe = L eq，这反映了电场和温度梯度的对称效应。
可视化昂萨格关系
考虑一个系统，其中两个过程 (A 和 B) 相互影响。我们将进程表示如下：
A ↔ B
这种简单的表示展示了过程如何相互影响，并强调了昂萨格定义的对称关系。
应用与意义
昂萨格互反关系在科学的各个领域具有重要意义，包括物理学、化学，甚至生物学，因为它们在描述非平衡系统方面具有普遍性。
化学反应
考虑一个封闭系统中的化学反应，其中两个或多个反应物相互影响速度。 Onsager 的关系可以预测一种反应物浓度的变化如何影响另一种反应物的流量。
生物系统
在生物细胞中，离子交换和营养物吸收等传输过程可以使用 Onsager 的原理来描述。离子和分子通过膜的流动可以影响其他传输过程，这些都受相同的互反关系支配。
结论
昂萨格互反关系为非平衡系统的行为提供了基础理解。通过揭示运输过程中的基本对称性，这些关系使科学家和工程师能够在各种情况下有效预测系统行为。
评论