耗散 - Wikiwand
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耗散

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耗散是出现在非匀相热力学系统不可逆过程的结果。耗散过程是指能量内能动能势能)由一种形式转换到另一种形式,而且后者可以作的功少于前者。例如将能量转换为热是一种耗散过程,因为热会由较热的物体转移到较冷的物体,二者的温度差会减少,根据热力学第二定律,这様会使二者物体所组成系统可作的机械功减少。

热力学的耗散过程在本质上就是不可逆的,此过程以固定的速率产生熵英语entropy production。若一个过程的温度都有明确的定义,单位体积内温度乘以的变化率即为单位体积耗散的能量。

不可逆过程包括:

  1. 热流过有热阻的物体
  2. 流体流过有流阻的物体
  3. 扩散作用(混合)
  4. 化学反应
  5. 电流流过电阻焦耳发热

一些特定情形下的耗散过程无法用单一的哈密顿力学方程来描述。耗散过程需要将允许的哈密顿描述形成一个集合,每一个描述一个特定未知的相关物理量,包括摩擦力其他类似使能量减少的力,也就是将相干性的能量转换到各向同性较高的能量分布的力。

计算物理学中,数值耗散(numerical dissipation)也称为数值扩散英语Numerical diffusion(numerical diffusion),是指一种出现在微分方程数值解中的副作用。当一个没有耗散的纯平流英语advection方程式利用数值分析方式求解时,其初始波的能量会依类似耗散过程的方式减少,此时会称此数值分析方式含有耗散项。不过有时为了提升数值解的数值稳定性,会特别加入人工耗散(artificial dissipation)[1]

振荡的能量会随着时间而减少,而其原因多半是因为摩擦力紊流。而其减少的能量常会使系统的温度上升。一个波的振幅减少,也就表示有能量的耗散。实际的效应则依波的本质而不同,例如大气波英语Atmospheric wave在接近地表处,会因为摩擦力或地面的质量而耗散,在较高空处则会因为辐射冷却而耗散。

数学领域中,可以用一动力系统中的游荡集来定义该系统是否为一耗散结构

水利工程中的耗散

水利工程中,耗散是指将往下流动水的动能转换为热能及声能的过程。有许多设备可以放在河床上,减少水流的动能,也减少对河岸和河床侵蚀。例如让水垂直流下,有类似瀑布的效果,或是让水流过抛石英语Riprap,其目的都是减少水的动能。

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参考资料

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