耗散

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耗散是出現在非勻相熱力學系統不可逆過程的結果。耗散過程是指能量內能動能勢能)由一種形式轉換到另一種形式,而且後者可以作的功少於前者。例如將能量轉換為熱是一種耗散過程,因為熱會由較熱的物體轉移到較冷的物體,二者的溫度差會減少,根據熱力學第二定律,這様會使二者物體所組成系統可作的機械功減少。

熱力學的耗散過程在本質上就是不可逆的,此過程以固定的速率產生熵英语entropy production。若一個過程的溫度都有明確的定義,單位體積內溫度乘以熵的變化率即為單位體積耗散的能量。

不可逆過程包括:

  1. 熱流過有熱阻英语Thermal resistance的物體
  2. 流體流過有流阻的物體
  3. 扩散作用(混合)
  4. 化學反應
  5. 電流流過電阻焦耳發熱英语Joule heating

一些特定情形下的耗散過程無法用單一的哈密顿力学方程來描述。耗散過程需要將允許的哈密顿描述形成一個集合,每一個描述一個特定未知的相關物理量,包括摩擦力其他類似使能量減少的力,也就是將相干性的能量轉換到各向同性較高的能量分佈的力。

计算物理学中,數值耗散(numerical dissipation)也稱為數值擴散英语Numerical diffusion(numerical diffusion),是指一種出現在微分方程數值解中的副作用。當一個沒有耗散的純平流英语advection方程式利用數值分析方式求解時,其初始波的能量會依類似耗散過程的方式減少,此時會稱此數值分析方式含有耗散項。不過有時為了提昇數值解的数值稳定性,會特別加入人工耗散(artificial dissipation)[1]

振盪的能量會隨著時間而減少,而其原因多半是因為摩擦力紊流。而其減少的能量常會使系統的溫度上昇。一個波的振幅減少,也就表示有能量的耗散。實際的效應則依波的本質而不同,例如大氣波英语Atmospheric wave在接近地表處,會因為摩擦力或地面的質量而耗散,在較高空處則會因為輻射冷卻而耗散。

數學領域中,可以用一動力系統中的遊蕩集來定義該系統是否為一耗散結構

水利工程中的耗散[编辑]

水利工程中,耗散是指將往下流動水的動能轉換為熱能及聲能的過程。有許多設備可以放在河床上,減少水流的動能,也減少對河岸和河床侵蚀。例如讓水垂直流下,有類似瀑布的效果,或是讓水流過拋石英语Riprap,其目的都是減少水的動能。

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Thomas, J.W. Numerical Partial Differential Equation: Finite Difference Methods. Springer-Verlag. New York. (1995)