Физическая релаксация. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Физическая релаксация (от лат. relaxatio - ослабление, уменьшение) - процесс установления статистич. (а следовательно, и термодинамич.) равновесия в физ. системе, состоящей из большого числа частиц. Р.- многоступенчатый процесс, т. к. не все физ. параметры системы (распределение частиц по координатам и импульсам, темп-pa, давление, концентрация вещества в малых объёмах и во всей системе и др.) стремятся к равновесию с одинаковой скоростью. Обычно сначала устанавливается равновесие по к--л. параметру (частичное равновесие), что также наз. Р. Все процессы Р. являются неравновесными и необратимыми процессами, при к-рых в системе происходит диссипация энергии, т. е. производится энтропия (в замкнутой системе энтропия возрастает); исследование этих процессов составляет предмет кинетики физической. В разл. системах Р. имеет свои особенности, поэтому процессы Р. весьма многообразны. Время т установления (частичного пли полного) равновесия в системе наз. временем релаксации. Когда отклонение от равновесия невелико, Р. параметра y обычно происходит по закону

где y₀ - нач. значение параметра у.

В экспериментах Р. проявляется косвенно: по затуханию макроскопич. движений, возникающих под действием внеш. сил, и по частотной зависимости кинетических коэффициентов. Эфф. уменьшение внеш. воздействия с ростом частоты w приводит обычно к немонотонной зависимости от w поглощённой за период энергии,

. Наличие максимума у величины Q(w) при

= 1 наз. кинематич. (релаксац.) резонансом. Наличие неск. максимумов свидетельствует о существовании неск. механизмов Р. Если в системе наблюдается резонансное поглощение энергии, то ширина резонансной кривой пропорц

В газах процесс установления равновесия определяется длиной свободного пробега l и временем свободного пробега т_пр(ср. расстояние и ср. время между двумя последовательными столкновениями частиц). Отношение

равно по порядку величины ср. скорости частиц (по абс. значению). Величины l и

малы по сравнению с макроскопич. масштабами длины и времени. С др. стороны, для газов время свободного пробега значительно больше времени столкновения частиц

. Только при этом условии Р. определяется лишь парными столкновениями частиц (см. также Кинетическая теория газов).

В одноатомных газах (без внутр. степеней свободы) Р. происходит в два этапа. На первом этапе за короткий промежуток времени, порядка времени столкновения частиц

, начальное (даже сильно неравновесное) состояние хаотизируется так, что становятся несущественными детали нач. состояния и оказывается возможным т. н. "сокращённое" описание неравновесного состояния системы, когда не требуется знания вероятности распределения всех частиц системы по координатам и импульсам, а достаточно знать одночастичную функцию распределения. (Все остальные функции распределения более высокого порядка, описывающие распределение по состояниям двух, трёх и т. д. частиц, зависят от времени лишь через одночастичную функцию.) Одночастич-ная функция распределения удовлетворяет кинетическому уравнению Больцмана, к-рое описывает процесс её Р. Эта стадия Р. наз. кинетической и является очень быстрым процессом.

На второй стадии Р. за время порядка времени свободного пробега частиц т_пр в результате всего песк. столкновений в макроскопически малых объёмах системы, движущихся с массовой скоростью (ср. скорость переноса массы), устанавливается локальное термодинамическое равновесие, ему соответствует локально-равновесное, пли квазиравновесное, распределение, к-рое характеризуется такими же параметрами, как и при полном равновесии системы (температурой и хим. потенциалом), но зависящими от пространственных координат и времени. Эти малые объёмы содержат ещё очень много частиц, а поскольку они взаимодействуют с окружающей средой лишь через частицы вблизи своей поверхности, их можно считать приближённо изолированными. Параметры локально-равновесного распределения в процессе Р. медленно (по сравнению с кинетич. стадией Р.) стремятся к равновесным значениям, а состояние системы мало отличается от равновесного, если градиенты термодинамич. параметров малы. Время Р. для локального равновесия

. После установления локального равновесия для описания Р. используют ур-ния гидродинамики с учётом неоднородности температуры и концентрации (Навье - Стокса уравнение, ур-ния теплопроводности, диффузии и др.). При этом предполагается, что термодинамич. параметры (плотность, темп-pa и массовая скорость) мало меняются за время т_пр и на расстоянии l. Эта стадия Р. наз. гидродинамической. Процесс Р. системы к состоянию полного статистич. равновесия происходит медленно, после большого числа столкновений, поэтому процессы теплопроводности, диффузии, вязкости и т. п. являются медленными процессами. Соответственно время Р.

зависит от размеров L системы и велико по сравнению с

что имеет место при

, т. е. не для сильно разреженных газов.

В многоатомных газах (с внутр. степенями свободы) может быть замедлен обмен энергией между поступат. и внутр. степенями свободы и возникает процесс Р., связанный с этим явлением. Быстрее всего (за время порядка времени между столкновениями) устанавливается равновесие по поступат. степеням свободы, к-рое можно охарактеризовать соответствующей температурой. Равновесие между поступат. и вращат. степенями свободы устанавливается значительно медленнее. Возбуждение колебат. степеней свободы может происходить лишь при высоких темп-pax. Поэтому в многоатомных газах для энергии вращат. и колебат. степеней свободы возможны многоступенчатые процессы Р. В многоатомных газах Р. внутр. степеней свободы вызывает появление объёмной вязкости, к-рой нет в одноатомных газах.

В смесях газов с сильно различающимися массами частиц замедлен обмен энергией между компонентами, вследствие чего возможны появление состояния с разд. температурами компонент и процессы Р. их температур. Напр., в плазме сильно различаются массы ионов и электронов. Быстрее всего устанавливается равновесие электронной компоненты, затем приходит в равновесие ионная компонента, и значительно большее время требуется для установления равновесия между электронами и ионами. Поэтому в плазме могут длит. время существовать состояния, в к-рых ионные и электронные температуры различны, следовательно, происходят медленные процессы Р. температур компонент (см. Релаксация компонент плазмы).

В жидкостях теряют смысл понятия времени и длины свободного пробега частиц (неприменимо кинетич. ур-ние Больцмана для одночастичной функции распределения). Аналогичную роль для жидкости играют величины

и l₁ - время и длина затухания пространственно-временных корреляционных функций динамич. переменных, описывающих потоки энергии и импульса;

и l₁ характеризуют затухание во времени и пространстве взаимного влияния молекул, т. е. корреляций. Для жидкостей полностью остаётся в силе понятие гидродинамич. этапа Р. и локально-равновесного состояния. В макроскопически малых объёмах жидкости, но ещё достаточно больших по сравнению с длиной корреляции l₁ локально-равновесное распределение устанавливается за время порядка времени корреляции

в результате интенсивного взаимодействия между частицами (а не только парных столкновений, как в газе); эти объёмы по-прежнему можно считать приближённо изолированными. На гидродинамич. этапе Р. в жидкости термодинамич. параметры и массовая скорость удовлетворяют таким же ур-ниям гидродинамики, теплопроводности и диффузии, как и для газов (при условии малости изменения термодинамич. параметров и массовой скорости за время т, и на расстояниях l₁).

Время Р. к полному термодинамич. равновесию в объёме

(так же, как в газе и твёрдом теле), можно оценить с помощью кинетич. коэффициента. Напр.. время Р. концентрации в бинарной смеси порядка

где D - коэф. диффузии; время Р. температуры

где

- коэф. температуропроводности, и т. д. Для жидкости с внутр. степенями свободы у частиц (молекул) возможно сочетание гидродинамич. описания с дополнит. ур-ниями для описания Р. внутр. степеней свободы (релаксационная гидродинамика).

В твёрдых телах, как и в квантовых жидкостях, Р. можно описывать как Р. в газе квазичастиц. В этом случае можно ввести время и длину свободного пробега соответствующих квазичастиц (при условии малости возбуждения системы). Напр., в кристаллич. решётке при низких темп-pax упругие колебания можно трактовать как газ фононов .Р. внутр. энергии в кристаллич. решётке описывается кинетич. ур-нием для фононов.

Релаксация, обусловленная распространением звуковых волн в веществе, с к-рой связано поглощение звука, наз. релаксацией акустической.

При фазовых переходах Р. может иметь сложный характер. Если переход из неравновесного состояния в равновесное является фазовым переходом 1-го рода, то система сначала переходит в метастабилъное состояние. Р. из метастабильного состояния в стабильное может оказаться настолько медленным процессом, что метастабильное состояние можно рассматри-вать как равновесное (см. Стеклообразное состояние).

Вблизи точки фазового перехода 2-го рода параметр порядка, характеризующий степень упорядоченности фаз, стремится к 0, а его время Р. сильно увеличивается (см. Кинетика фазовых переходов).

Литература по физической релаксации

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.