• Nem Talált Eredményt

Line´aris transzport ´es kereszteffektusok

In document Statisztikus fizika (Pldal 172-178)

5. Nemegyens´ ulyi statisztikus fizika 164

5.2. Line´aris transzport ´es kereszteffektusok

Z

−∞

eiωt0 lim

T→∞

1 T

Z

−∞

xi(t;T)xj(t+t0;T) dtdt0

ad´odik. A bels˝o integr´al a hat´ar´ert´ekkel ergodikus egyens´ulyi rendszerben a Cxi,xj(t0) korrel´aci´os f¨uggv´ennyel adhat´o meg:

Tlim→∞

1 T

Z

−∞

xi(t;T)xj(t+t0;T) dt = lim

T→∞

1 T

T 2

Z

T

2

xi(t)xj(t+t0) dt.

A kapott eredm´eny a Wiener–Hincsin-t´etel: Sxi,xj(ω) =

Z

−∞

eiωt0Cxi,xj(t0) dt0, (5.4) vagyis egy stacion´arius, ergodikus (nem felt´etlen¨ul termodinamikai egyens´ulyi) sztochasz-tikus folyamat spektr´alis s˝ur˝us´egf¨uggv´enye a korrel´aci´os f¨uggv´eny Fourier-transzform´alt-j´aval egyenl˝o. M´ıg az el˝obbi mennyis´eg a zajspektrumon kereszt¨ul m´erhet˝o, az ut´obbi dinamikai sz´or´ask´ıs´erletekkel vizsg´alhat´o.

5.2. Line´ aris transzport ´ es kereszteffektusok

Nemegyens´ulyi sokas´ag

Az xi centr´alt fluktu´al´o mennyis´egek id˝o´atlaga egyens´ulyban z´erus. Ha spont´an egyen-s´ulyi fluktu´aci´o miatt xi(t) pillanatnyi ´ert´eke nem z´erus, akkor v´arhat´o, hogy k´es˝obb

´ert´eke visszat´er a nulla k¨ozel´ebe. Prepar´alhatunk is olyan ´allapotot, ahol xi 6= 0, pl.

egy ´uj egyens´ulyi ´allapottal, amit k¨uls˝o t´er seg´ıts´eg´evel ´er¨unk el. Ha kikapcsoljuk a k¨ul-s˝o teret, a rendszer relax´alni fog az eredeti egyens´ulyhoz, ek¨ozben xi v´arhat´o ´ert´eke is lecseng. Ez a relax´aci´o nemegyens´ulyi folyamat.

C´elszer˝u a fenti folyamat le´ır´as´ahoz defini´alni anemegyens´ulyi sokas´agot. Prepar´aljuk a rendszert valamilyen az eredeti egyens´ulyi ´ert´ekt˝ol elt´er˝o x(0) kezd˝ofelt´etellel egy ´uj egyens´ulyi ´allapottal, ´es az ennek megfelel˝o egyens´ulyi sokas´agb´ol indulunk a kezdeti id˝opontban. Ebb˝ol a kezdeti felt´etelb˝ol minden sokas´agelemet hagyunk fejl˝odni saj´at dinamik´aj´anak megfelel˝oen, t id˝opontban a nemegyens´ulyi sokas´agot ezek t-ben vett

¨osszess´ege adja. Az id˝of¨ugg˝o ´atlagokat egy ilyen sokas´agra vett ´atlagk´ent ´ertelmezz¨uk,

´es jel¨ol´es¨uk a tov´abbiakban

h · ix(0).

Ha a k¨uls˝o teret a t = 0 pillanatban kikapcsoljuk, a mag´ara hagyott rendszer az eredeti egyens´ulyhoz fog tartani. Ha a prepar´aci´o csak kis v´altoz´ast id´ezett el˝o, akkor v´arhat´o, hogy a mennyis´egek v´altoz´as´anak sebess´ege ar´anyos lesz az eredeti egyens´ulyi

´ert´ekt˝ol val´o elt´er´essel,

hx˙i(t)ix(0) =−

n

X

k=1

λikhxk(t)ix(0). (5.5) Defini´alva az xi mennyis´egekhez konjug´alt er˝ot:

yi ≡ −∂S

∂xi

,

´es felhaszn´alva az entr´opia egyens´uly k¨ozel´eben ´erv´enyes, k¨ozel´ıt˝o S=S(x= 0)− 1

2kB

X

i,j

xigijxj

alakj´at az egyens´uly k¨or¨ul (v¨o. (1.48)–(1.49)), megkapjuk a kapcsolatot mennyis´eg ´es a hozz´a konjug´alt er˝o k¨oz¨ott:

yi =X

j

kBgijxj, (5.6)

xi =X

j

1 kB

g−1

ijyj. (5.7)

Az (5.5) transzportegyenletet megfogalmazhatjuk az er˝ok f¨uggv´eny´eben is, bevezetve az Lij transzportegy¨utthat´okat:

hx˙i(t)ix(0) =−

n

X

k=1

Likhyk(t)ix(0). A transzportegy¨utthat´ok kapcsolata

λ =kBL g. (5.8)

A folyamattal j´ar´o ˙S entr´opiaprodukci´o2 S˙ =X

i

∂S

∂xi

˙

xi =−X

i

yii.

2A tov´abbiakban ˙S-tal jel¨olj¨uk az entr´opiaprodukci´ot (megk¨ul¨onb¨oztetve pl. az entr´opia ´araml´assal bek¨ovetkez˝o v´altoz´as´at´ol).

Ez lehet˝ov´e teszi a konjug´alt er˝ok alternat´ıv sz´amol´asi m´odj´at, ami esetenk´ent k´ezenfek-v˝obb:

yi =−∂S˙

∂x˙i

.

Ez az ¨osszef¨ugg´es ´arams˝ur˝us´egekre is ´erv´enyes, de ebben az esetben az entr´opiaprodukci´o

˙

s s˝ur˝us´eg´et kell venni.

Tekints¨uk p´eld´aul az Ohm-t¨orv´enyt ebben a formalizmusban! Egy vezet˝obenE elekt-romos t´erer˝oss´eg hat´as´ara

˙ xe=je

elektromos ´arams˝ur˝us´eg folyik. A disszip´al´od´o teljes´ıtm´eny t´erfogati s˝ur˝us´ege a jeE Joule-h˝o, amib˝ol az entr´opiaprodukci´o s˝ur˝us´ege

˙

s= jeE T , a t¨olt´ess˝ur˝us´eghez konjug´alt er˝o pedig leolvashat´o,

ye=−1 TE.

A transzportegyenlet k´etf´ele alakj´at ¨osszevetve je =σE =Lee

1 TE,

amib˝ol a vezet˝ok´epess´eg ´es az ´ujonnan bevezetett transzportegy¨utthat´o kapcsolata σ= 1

TLee. (5.9)

A h˝ovezet´es eset´ere is elv´egezhet˝o hasonl´o levezet´es. Ebben az esetben

˙ xq =jq

a h˝o´arams˝ur˝us´eg, amire a h˝o q s˝ur˝us´eg´evel egy¨utt ´erv´enyes a

∂q

∂t =−∇jq

kontinuit´asi egyenlet. Az entr´opias˝ur˝us´eg v´altoz´asa pedig egyr´eszt

∂s

∂t = 1 T

∂q

∂t,

m´asr´eszt m´erlegegyenlete

∂s

∂t =−∇js+ ˙s, amib˝ol

−∇js+ ˙s =−1

T∇jq=−∇jq

T +jq∇1 T. Innen leolvashat´o, hogy az entr´opia-´arams˝ur˝us´eg

js = jq

T, az entr´opiaprodukci´o s˝ur˝us´ege pedig

˙

s=jq∇1 T.

A h˝omennyis´eg s˝ur˝us´eg´ehez konjug´alt er˝o az entr´opiaprodukci´o kifejez´es´eb˝ol yq =−∇1

T = 1 T2∇T.

A t¨ort´enetileg a Fick-t¨orv´enyben defini´alt λ h˝odiff´uzi´os egy¨utthat´o kapcsolata az Lqq

transzportegy¨utthat´oval teh´at

jq =−λ∇T =−Lqq

1 T2∇T, λ= 1

T2Lqq.

A transzportegyenletek vizsg´alat´at ebben a formalizmusban igaz´an indokoltt´a a ke-reszteffektusok teszik. Az el˝oz˝o p´eld´akban vagy csak elektromos ´aram, vagy csak h˝o´aram j¨ott l´etre az elektromos t´erer˝oss´eg illetve a h˝om´ers´ekleti gradiens hat´as´ara. Ezen hat´aso-kat egy¨utt figyelembe v´eve kereszteffektusohat´aso-kat is vizsg´alhatunk (a Seebeck-effektus sor´an h˝om´ers´ekleti gradiens hat´as´ara elektromos t´erer˝oss´eg jelenik meg, m´ıg a Peltier-effektus az elektromos ´aram hat´as´ara l´etrej¨ov˝o h˝o´aramot jelenti). A 2×2 transzportegy¨utthat´o meghat´aroz´as´ahoz ¨ossze kell vetn¨unk az ´altal´anos

je =Lee

E

T −Leq∇T T2 jq =Lqe

E

T −Lqq∇T T2

egyenleteket a t¨ort´enetileg bevezetett E= je

σ +η∇T jq =−λ∇T + Πje

egyenletekkel, ahol η a Seebeck-, Π a Peltier-egy¨utthat´o. A je = 0 illetve a ∇T = 0 megk¨ot´essel az

η = Leq

LeeT, Π = Lqe

Lee

¨osszef¨ugg´esek ad´odnak a hagyom´anyos ´es az ´uj egy¨utthat´ok k¨oz¨ott. A Seebeck- ´es a Peltier-egy¨utthat´o k¨oz¨ott r´eg´ota ismert a

Π =ηT

Thomson-¨osszef¨ugg´es. Ez az empirikus eredm´eny pontosan akkor igaz, ha az ´uj transz-portegy¨utthat´oinkra

Leq=Lqe,

vagyis a transzportegy¨utthat´ok m´atrixa szimmetrikus! Ez a megfigyel´es m´elyebb okokra vezethet˝o vissza.

A transzportegy¨utthat´ok m´atrix´anak szimmetri´aja

Az Onsager-f´ele regresszi´os hipot´ezis szerint a kis amplit´ud´oj´u nemegyens´ulyi zavarok

´es a spont´an egyens´ulyi fluktu´aci´ok ugyanazt a t¨orv´enyszer˝us´eget k¨ovetve csengenek le; az egyens´ulyb´ol kit´er´ıtett rendszer ugyan´ugy relax´al a kit´er´ıt´es ok´at´ol f¨uggetlen¨ul.3 Matematikailag ez azt a feltev´est jelenti, hogy a kis perturb´aci´okra fel´ırt

hx˙i(t)ix(0) =−

n

X

k=1

λikhxk(t)ix(0)

nemegyens´ulyi sokas´ag´atlaggal azonos form´at ¨olt a korrel´aci´os f¨uggv´eny id˝oderiv´altja mint egyens´ulyi sokas´ag´atlag,

hx˙i(t)xj(0)i=−

n

X

k=1

λikhxk(t)xj(0)i,

3Az ehhez hasonl´o kijelent´esek csak valamilyen τtr tranziens id˝on´el nagyobb id˝osk´al´an ´erv´enyesek, ahol a rendszer relax´aci´oja valamilyen ´ertelemben m´ar ´alland´osult.

´es ugyanazok a transzportegy¨utthat´ok hat´arozz´ak meg a k´etf´ele lecseng´est. Az (5.7) ´es az (5.8) ¨osszef¨ugg´esek felhaszn´al´as´aval megjelennek az Lij transzportegy¨utthat´ok,

d

dthxi(t)xj(0)i= ˙Cxixj(t) = −

n

X

k=1

Likhyk(t)xj(0)i.

Most a korrel´aci´os f¨uggv´eny id˝ot¨ukr¨oz´esre szimmetrikus rendszerekben ´erv´enyes (5.2) tulajdons´ag´at felhaszn´alva

xixj(t) = ˙Cxjxi(t)εiεj

n

X

k=1

Likhyk(t)xj(0)i=−

n

X

k=1

Ljkhyk(t)xi(0)iεiεj

ad´odik. V´eg¨ul felismerve, hogy hykxji=

n

X

l=1

kBgklhxlxji

| {z }

g−1

lj

=kB

g g−1

kj =kBδkj, t = 0 v´alaszt´assal

LijiεjLji. Altal´anosan, param´eterf¨ugg´est is figyelembe v´eve´

Lij(A) = εiεjLji(A εA), (5.10) amib˝ol m´ar k¨ovetkezik a Thomson-¨osszef¨ugg´es. Az (5.10) eredm´eny az Onsager-f´ele reciprocit´asi t¨orv´eny, ami teh´at a regresszi´os hipot´ezisen ´es a mikroszkopikus reverzibi-lit´ason alapul.

P´eld´aul az (5.9) ¨osszef¨ugg´essel ¨osszhangban, ha a vezet˝ok´epess´eg tenzori´alis, akkor LαβαβT,

ahol Lαβ az elektromos t´erer˝oss´egβ komponens´et ´es az ´arams˝ur˝us´eg αkomponens´et csa-tolja. A reciprocit´asi t¨orv´eny ´ertelm´eben teh´at a vezet˝ok´epess´eg-tenzor szimmetrikus, ha nincsenek id˝ot¨ukr¨oz´est s´ert˝o param´eterek a rendszerben. K¨uls˝o Bm´agneses t´er jelenl´ete eset´en viszont

σxy(B) = σyx(−B), σxx(B) = σxx(−B)

alak´u ¨osszef¨ugg´eseket ´ırhatunk fel a vezet˝ok´epess´eg elemei k¨oz¨ott.

In document Statisztikus fizika (Pldal 172-178)