Рассеяние
В термодинамике , диссипация — результат необратимого процесса воздействующего на термодинамическую систему . В диссипативном процессе энергия ( внутренняя объемного потока , кинетическая или потенциал системы ) преобразуется из начальной формы в конечную форму, при этом способность конечной формы совершать термодинамическую работу меньше, чем у исходной формы. Например, передача энергии в виде тепла является диссипативной, поскольку это передача энергии, отличная от термодинамической работы или передачи материи, и распространяет ранее сконцентрированную энергию. Следуя второму началу термодинамики , при проводимости и излучении от одного тела к другому энтропия меняется с температурой (уменьшает способность комбинации двух тел совершать работу), но никогда не уменьшается в изолированной системе.
В машиностроении — диссипация это необратимое преобразование механической энергии в тепловую с соответствующим увеличением энтропии. [1]
Процессы с определенной локальной температурой производят энтропию с определенной скоростью. Скорость производства энтропии, умноженная на местную температуру, дает рассеиваемую мощность . Важными примерами необратимых процессов являются: течение тепла через термосопротивление , течение жидкости через сопротивление потоку, диффузия (смешивание), химические реакции и протекание электрического тока через электрическое сопротивление ( Джоулевый нагрев ).
Определение
[ редактировать ]Диссипативные термодинамические процессы по существу необратимы, поскольку они производят энтропию . Планк считал трение ярким примером необратимого термодинамического процесса. [2] В процессе, в котором температура локально непрерывно определяется, локальная плотность скорости производства энтропии, умноженная на локальную температуру, дает локальную плотность рассеиваемой мощности. [ необходимо определение ]
Конкретное возникновение диссипативного процесса не может быть описано одним-единственным гамильтоновым формализмом. Диссипативный процесс требует набора допустимых индивидуальных гамильтоновых описаний, какое именно из них описывает реальное частное возникновение интересующего процесса, неизвестно. Сюда входят трение и удары, а также все подобные силы, которые приводят к декогерентности энергии, то есть преобразованию когерентного или направленного потока энергии в ненаправленное или более изотропное распределение энергии.
Энергия
[ редактировать ]«Преобразование механической энергии в тепловую называется диссипацией энергии». — Франсуа Родье [3] Этот термин также применяется к потерям энергии из-за образования нежелательного тепла в электрических и электронных цепях.
Вычислительная физика
[ редактировать ]В вычислительной физике численная диссипация (также известная как « числовая диффузия ») относится к определенным побочным эффектам, которые могут возникнуть в результате численного решения дифференциального уравнения. При решении методом численной аппроксимации чистого уравнения адвекции , свободного от диссипации, энергия начальной волны может быть уменьшена аналогично диффузионному процессу. Говорят, что такой метод содержит «диссипацию». В некоторых случаях «искусственная диссипация» намеренно добавляется для улучшения характеристик численной стабильности решения. [4]
Математика
[ редактировать ]Формальное математическое определение диссипации, обычно используемое при математическом исследовании сохраняющих меру динамических систем , дано в статье « Блуждающее множество» .
Примеры
[ редактировать ]В гидротехнике
[ редактировать ]Диссипация – это процесс преобразования механической энергии текущей вниз воды в тепловую и акустическую энергию. В руслах ручьев проектируются различные устройства для уменьшения кинетической энергии текущих вод, снижения их эрозионной способности на берегах и дне рек . Очень часто эти устройства выглядят как небольшие водопады или каскады , где вода течет вертикально или по каменной наброске, теряя часть своей кинетической энергии .
Необратимые процессы
[ редактировать ]Важными примерами необратимых процессов являются:
- Тепловой поток через термическое сопротивление
- Течение жидкости через гидравлическое сопротивление
- Диффузия (смешивание)
- Химические реакции [5] [6]
- Электрический ток течет через электрическое сопротивление ( Джоулев нагрев ).
Волны или колебания
[ редактировать ]Волны или колебания теряют энергию со временем , обычно из-за трения или турбулентности . Во многих случаях «потерянная» энергия повышает температуру системы . Например, говорят, что волна , теряющая амплитуду , рассеивается. Точная природа эффектов зависит от природы волны: атмосферная волна например, может рассеиваться вблизи поверхности из-за трения о земную массу, а на более высоких уровнях - из-за радиационного охлаждения .
История
[ редактировать ]Понятие диссипации было введено в область термодинамики Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1852 году. [7] Лорд Кельвин пришел к выводу, что часть вышеупомянутых необратимых диссипативных процессов будет происходить, если процесс не управляется «идеальным термодинамическим двигателем». Лорд Кельвин определил процессы трения, диффузии, проводимости тепла и поглощения света.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Эскюдье, Марсель; Аткинс, Тони (2019). Машиностроительный словарь (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. doi : 10.1093/acref/9780198832102.001.0001 . ISBN 978-0-19-883210-2 .
- ^ Планк, М. (1926). «К обоснованию второго начала термодинамики», отчет сессии. Пруссия. Академическая наука, физ. Математика , 453-463.
- ^ Роддье Ф., Термодинамика эволюции (Термодинамика эволюции) , условно-досрочное освобождение, 2012 г.
- ^ Томас, Дж. В. Численное уравнение в частных производных: методы конечных разностей. Спрингер-Верлаг. Нью-Йорк. (1995)
- ^ Глансдорф, П., Пригожин, И. (1971). Термодинамическая теория структуры, стабильности и флуктуаций , Wiley-Interscience, Лондон, 1971, ISBN 0-471-30280-5 , с. 61.
- ^ Эу, Британская Колумбия (1998). Неравновесная термодинамика: метод ансамбля , Kluwer Academic Publications, Дордрехт, ISBN 0-7923-4980-6 , с. 49,
- ^ В. Томсон О всеобщей тенденции в природе к рассеиванию механической энергии. Философский журнал, сер. 4, с. 304 (1852 г.).
