Nerovnovážné systémy Onsagerova hypotéza, fluktuačně disipační teorém

Podobné dokumenty
Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

MATEMATICKÁ STATISTIKA - XP01MST

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Kovy - model volných elektronů

Zobrazování. Zdeněk Tošner

Singulární charakter klasické limity

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Charakterizace rozdělení

Kvantová a statistická fyzika 2 (Termodynamika a statistická fyzika)

ρ = 0 (nepřítomnost volných nábojů)

Kvantová fyzika atomárních soustav letní semestr VIII. KOTLÁŘSKÁ 23. DUBNA 2014

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

Termodynamika v biochemii

Spektrometrické metody. Luminiscenční spektroskopie

Aplikovaná statistika v R - cvičení 3

Hamiltonián popisující atom vodíku ve vnějším magnetickém poli:

Fyzikální chemie. Magda Škvorová KFCH CN463 tel února 2013

Pravděpodobnost a aplikovaná statistika

Laplaceova transformace

terminologie předchozí kapitoly: (ϕ, Ω) - plocha, S - geometrický obraz plochy

Pravděpodobnost, náhoda, kostky

Poznámky k Fourierově transformaci

Regresní a korelační analýza

Teorie měření a regulace

Kvantová mechanika ve 40 minutách

Molekulový počítačový experiment

Struktura a vlastnosti kovů I.

Matematickým modelem soustavy je známá rovnice (1)

EXPERIMENTÁLNÍ METODY I. 2. Zpracování měření

4 Přenos energie ve FS

Stavební fakulta Katedra mechaniky. Jaroslav Kruis, Petr Štemberk

Modelování a simulace Lukáš Otte

Téma: Dynamiky - Základní vztahy kmitání

elektrony v pevné látce verze 1. prosince 2016

V mnoha běžných případech v optickém oboru je zanedbáváno silové působení magnetické složky elektromagnetického pole na náboje v látce str. 3 6.

Diferenciální rovnice a jejich aplikace. (Brkos 2011) Diferenciální rovnice a jejich aplikace 1 / 36

Hlavní body - elektromagnetismus

Záření KZ. Význam. Typy netermálního záření. studium zdrojů a vlastností KZ. energetické ztráty KZ. synchrotronní. brzdné.

Statistika. Regresní a korelační analýza Úvod do problému. Roman Biskup

Poznámky k předmětu Aplikovaná statistika, 4. téma

Fluktuace termodynamických veličin

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

FLUENT přednášky. Turbulentní proudění

4. Stanovení teplotního součinitele odporu kovů

Lekce 4 Statistická termodynamika

Časové řady, typy trendových funkcí a odhady trendů

4 Příklady Fraunhoferových difrakčních jevů

Časové řady, typy trendových funkcí a odhady trendů

Pravděpodobnost, náhoda, kostky

Pokud proudění splňuje všechny výše vypsané atributy, lze o něm prohlásit, že je turbulentní (atributy je třeba znát).

MĚŘENÍ STATISTICKÝCH ZÁVISLOSTÍ

INSTRUMENTÁLNÍ METODY

MODIFIKOVANÝ KLIKOVÝ MECHANISMUS

Základy ekonometrie. XI. Vektorové autoregresní modely. Základy ekonometrie (ZAEK) XI. VAR modely Podzim / 28

ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ Z MECHANICKÝCH. Jiří Tůma

Numerická stabilita algoritmů


Univerzita Pardubice Fakulta chemicko technologická Katedra analytické chemie Licenční studium Management systému jakosti

Modulace a šum signálu

Parciální diferenciální rovnice

2. Statistický popis plazmatu

Regresní a korelační analýza

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul

Termodynamika (td.) se obecně zabývá vzájemnými vztahy a přeměnami různých druhů

Přehled veličin elektrických obvodů

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

Statistická analýza jednorozměrných dat

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

Poznámky k předmětu Aplikovaná statistika, 4. téma

4. Aplikace matematiky v ekonomii

Opakování

Matematické modelování Náhled do ekonometrie. Lukáš Frýd

1.8. Mechanické vlnění

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Neideální plyny. Z e dr dr dr. Integrace přes hybnosti. Neideální chování

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

Statistika a spolehlivost v lékařství Charakteristiky spolehlivosti prvků I

AVDAT Mnohorozměrné metody, metody klasifikace

i β i α ERP struktury s asynchronními motory

KGG/STG Statistika pro geografy

Fyzika laserů. 7. března Katedra fyzikální elektroniky.

Intervalová data a výpočet některých statistik

Pojmy z kombinatoriky, pravděpodobnosti, znalosti z kapitoly náhodná veličina, znalost parciálních derivací, dvojného integrálu.

Základní pasivní a aktivní obvodové prvky

Matematika III 10. týden Číselné charakteristiky střední hodnota, rozptyl, kovariance, korelace

Přednášky z lékařské biofyziky Masarykova univerzita v Brně - Biofyzikální ústav Lékařské fakulty. Ilya Prigogine Termodynamika a život

1. Regulace otáček asynchronního motoru - skalární řízení

Řešení úloh 1. kola 47. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie B

Úvod do parciálních diferenciálních rovnic. 2 Kanonický tvar lineárních PDR 2. řádu pro funkce

Postupné, rovinné, monochromatické vlny v lineárním izotropním nemagnetickém prostředí

25.z-6.tr ZS 2015/2016

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Vlnění

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

TERMOMECHANIKA 15. Základy přenosu tepla

Fázové přechody Isingův model

John Dalton Amadeo Avogadro

Základní statistické modely Statistické vyhodnocování exp. dat M. Čada ~ cada

Gyrační poloměr jako invariant relativistického pohybu. 2 Nerovnoměrný pohyb po kružnici v R 2

Transkript:

Nerovnovážné systémy Onsagerova hypotéza, fluktuačně disipační teorém Omezení se na nerovnážné systémy v blízkosti rovnováhy Chování systému lze popsat v rámci linear response theory (teorie lineární odezvy) Založena na fluctuation-dissipation theorem (fluktuačně disipační teorém) Dává do vztahu relaxaci systému vychýleného z rovnováhy se spontánně se vyskytujícími fluktuacemi v rovnovážném systému

Systém ve stavu blízkém rovnováze: Odchylka od rovnováhy je lineárně závislá na poruše, která systém vychyluje z rovnováhy Příklad: roztok elektrolytu Rovnováha žádný tok náboje j = 0 V čase t mezi t 1 a t 2 působí el. pole E j( t) Označuje ensambleový průměr pro nerovnovážný systém j( t) 0 j( t; λe) = λj( t; E) Je lineární pokud je nábojový tok úměrný intenzitě vloženého pole τ relax... Relaxační doba?

Nerovnovážný souborový průměr: známe-li počátační stav systému deterministický charakter známe vývoj. Souborový průměr získáme průměrováním přes různé počáteční podmínky. Distribuce počátečních podmínek nese statistické charakteristiky nerovnovážného systému. = Časová závislost dynamické proměnné A N N At Ar (), t p () t N N ( N, N ) ( ; N, N ) A t = dr dp F r p A t r p Bod ve fázovém prostoru ( ; N N =, ) At Atr p Stat TD místo časového průměru hledáme souborový průměr: Pro systém v rovnováze platí: At () = A

Onsagerova regresní hypotéza: Relaxace makrskopické nerovnovážné distribuce se řídí stejnými zákony jako regrese spontánních mikroskopických fluktuací v rovnovážném stavu. (Je důsledkem fluktuačně disipačního teorému dokázaného pozdeji.) 1951 Nobelova cena za chemii

Korelace spontánních fluktuací δ At = At A N N N N = ( ;, ) = (, ) δat δatr p δar t p t Okamžitá odchylka (fluktuace) A(t) od časově nezávislého rovnovážného průměru Je vlastností trajektorie ve fázovém prostoru Pokud A není konstantou pohybu (energie) je A(t) chaoticky vypadající funkcí dokonce i v rovnovážném stavu δ A = 0 triviální Korelace mezi fluktuacemi v různých časech v systému v rovnováze: δ ( 0) δ ( 0) Ct = A At = A At A Průměrování přes různé počáteční stavy C( t) dpdqda( p, q;0) da( p, q; t) f ( p, q) C( t) dr N dp N da(0; r N, p N ) da( t; r N, p N ) f( r N, p N ) 2 Rovnovážná distribuční funkce

V rovnovážném systému musí korelace mezi dynamickými proměnnými záviset pouze na rozdílu časů a nikoliv na absolutní hodnotě: = δ ( ') δ ( '') Ct At At = δ ( 0) δ = δ ( ) δ ( 0) Ct A At A t A = δ ( 0) δ ( ) = ( ) C t A A t C t Pro malé t: Pro velke t: ( 0) = δ ( 0) δ ( 0) = ( δ ) 2 C A A A δ δ Ct A0 At, t Protože A 0 δ = C( t) 0, t Úbytek korelace s rostoucím časem = regrese spontánních korelací (Onsager)

V důsledku ergodického principu plati: τ 1 δa( 0 ) δat = lim dtδat ( t') δat ( t''), t t" t' τ + + = τ 0 Souborový průměr můžeme nahradit časovým průměrem. Předpokládáme, že fázový prostor je spolehlivě popsán jedinou trajektorií.

Rychlostní autokorelační funkce pro atomární kapalinu 1 C t vx vx t t 3 = ( 0) = v( 0) v Plynné CO Orientační autokorelační funkce 1 C t uz uz t t 3 = ( 0) = u( 0) u u... Jednotkový vektor podél hlavní rotační osy molekuly kapalina

Onsagerova regresní hypotéza - matematicky V čase t=0 je systém v nerovnovážném stavu a začíná relaxovat do rovnováhy. V lineárním režimu plati: At Ct = A 0 C 0 At = At A=δ At Ct = δa( 0) δat Korelace A(t) s A(0) v systému v rovnováze je stejná jako průmerná A(t) pro systém, kde v čase t=0 jsou určité specifické fluktuace. Tyto fluktuace odpovídají nenrovnovážné distribuci. Pro stystém blízko rovnováhy nelze rozlišit mezi spontánními fluktuacemi a těmi odpovídajícími nerovnováze. Proto musí být autokorelační funkce stejná jako úbytek A( t)

Fluktuačně disipační teorém Omezíme se na klasické systémy Zjednodušená teorie lineární odezvy Hledáme korelační funkci pro At Neporušený systém: popsaný pomocí H Rovnovážný průměr dynamické proměnné N N : (, p ) Ar N N N N N N bhr, p N N N N bhr, p A dr dp e A( r, p )/ dr dp e Tre bh A/ Tre bh (Tr klasická stopa je pouze notací používanou pro integrály přes fázový prostor.) V čase t=0 systém není v rovnováze zajímá nás relaxace (předpokládáme že výchylka je malá). H = fa At Výchylka z rovnováhy v důsledku porochy (f je vnější pole). Je-li porucha aplikována po dostatečně dlouhý čas systmém se dostane do nové rovnováhy charakterizované Hamiltonovou funckí H + H a tomu odpovídající distribuční funkcí ve fázovém prostoru (hustotou bodů): F r, p e b D N N H H do A

H H H H A 0 Tre A/ Tre b D b D At Počáteční hodnota je dána rovnovážným systémem se zapnutou poruchou. Po vypunutí poruchy se At začíná měnit: bhdh bhdh / ( ; N N At = Atr, p ) A t Tre A t Tre At A Hodnota v čase t pro systém s počátečním stavem charakterizovaným konkrétním bodem ve fázovém prostoru. Odchylky od jsou úměrné H a jsou malé rozvoj podle H: bh bh At Tre 1 bdh... At / Tre 1 bdh... Ponecháme jen lineární členy: b H b H b / H b bd bd / H bd A t Tr e A t A t H A t Tre H Tre Tr e O H A t A HA t A H O H b bd 2 2

A t A HA t A H O H b bd 2 δ At = At A At = At A=δ At Ct = δa( 0) δat b d 0d 2 At f A At O f Okamžitá odchylka (fluktuace) A(t) od časově nezávislého rovnovážného průměru Onsagerova regresní hypotéza Specielní forma fluktuačně disipačního teorému Relaxace ~ lze vyjádřit pomocí korelace spontánních fluktuací v rovnovážném systému Je také úměrná rychlosti s jakou je enrgie disipována v markroskopickém systému Zobecnění Funkce lineární odezvy

Funkce lineární odezvy Časově závislá porucha v lineárním režimu: At ( ; λf) = λ Atf ( ; ) + 2 Obecně A( t) = dt ' χ ( t, t ') f ( t ') + O( f ) Funkce odezvy = zobecněná susceptibilita Je charakteristikou systému v rovnováze

Obecně aplikace časově závislé poruchy, sledování časově závislé response Odezva je lineárně závislá na poruše LINEAR RESPONSE THEORY Korelace dvou různých vlastností: iwt yw dte A(0) B( t) 0 A pt (), qt () B pt (), qt () ψ... zobecněná susceptibilita Příklad: Absorbce záření Tvar IR pásů je dán Fourier-Laplace transformací autokorelační funkce dipólového momentu! Systém N interagujících molekul v kvantovém stavu i Systém interaguje s el. polem o frekvenci ω E ε E cos w 2 0 iwt iwt t E0ε t e e