التوازن الحراري

في الفيزياء ، يُعرف التوازن الحراري بأنه عملية وصول الأجسام الفيزيائية إلى حالة التوازن الحراري من خلال التفاعل المتبادل. وبشكل عام، يميل النظام بطبيعته إلى حالة من توزيع الطاقة المتساوي ودرجة حرارة موحدة تُعظّم إنتروبيا النظام . ولذلك، يُعدّ التوازن الحراري ودرجة الحرارة مفاهيم أساسية هامة في الفيزياء الإحصائية والميكانيكا الإحصائية والديناميكا الحرارية ؛ والتي تُشكّل جميعها أساسًا للعديد من المجالات العلمية والتطبيقية الهندسية .

تشمل أمثلة التوازن الحراري ما يلي:

تفترض الفرضية الأساسية لمعظم الكتب التمهيدية التي تتناول ميكانيكا الكم الإحصائية [ 4 ] أن الأنظمة تصل إلى حالة التوازن الحراري (التوازن الحراري). وتمحو عملية التوازن الحراري الذاكرة المحلية للشروط الابتدائية. وتُعدّ فرضية التوازن الحراري للحالات الذاتية فرضيةً تُعنى بتحديد متى ستخضع الحالات الكمومية للتوازن الحراري ولماذا.

لا تخضع جميع الحالات الكمومية للتوازن الحراري. فقد تم اكتشاف بعض الحالات التي لا تخضع له (انظر أدناه)، ولا تزال أسباب عدم وصولها إلى التوازن الحراري غير واضحة حتى مارس 2019. .

الوصف النظري

يمكن وصف عملية التوازن باستخدام نظرية H أو نظرية الاسترخاء ، [ 5 ] انظر أيضًا إنتاج الإنتروبيا .

الأنظمة المقاومة للتوازن الحراري

الأنظمة الكلاسيكية

بشكل عام، لا تصل الأنظمة الكلاسيكية ذات السلوك غير الفوضوي إلى حالة التوازن الحراري. من المتوقع عمومًا أن تكون الأنظمة ذات المكونات المتفاعلة الكثيرة فوضوية ، لكن هذا الافتراض قد لا يكون صحيحًا دائمًا. ومن الأمثلة البارزة على ذلك مسألة فيرمي-باستا-أولام-تسينغو ، التي تُظهر تكرارًا غير متوقع ولا تصل إلى حالة التوازن الحراري إلا على مدى فترات زمنية طويلة جدًا. [ 6 ] لا تصل الأنظمة غير الفوضوية التي تتأثر باضطرابات غير خطية ضعيفة إلى حالة التوازن الحراري لمجموعة من الشروط الابتدائية ذات حجم غير صفري في فضاء الطور، كما تنص عليه نظرية KAM ، على الرغم من أن حجم هذه المجموعة يتناقص أُسّيًا مع عدد درجات الحرية. [ 7 ] لا تصل الأنظمة التكاملية متعددة الأجسام ، التي تحتوي على عدد كبير من الكميات المحفوظة، إلى حالة التوازن الحراري بالمعنى المعتاد، بل تصل إلى حالة التوازن وفقًا لمجموعة جيبس ​​المعممة . [ 8 ] [ 9 ]

الأنظمة الكمومية

بعض هذه الظواهر التي تقاوم الميل إلى التوازن الحراري تشمل (انظر، على سبيل المثال، الندبة الكمومية ): [ 10 ]

  • الندوب الكمومية التقليدية، [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] والتي تشير إلى الحالات الذاتية ذات كثافة احتمالية محسنة على طول مدارات دورية غير مستقرة أعلى بكثير مما يمكن للمرء أن يتوقعه بشكل بديهي من الميكانيكا الكلاسيكية.
  • الندوب الكمومية الناتجة عن الاضطرابات: [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] على الرغم من تشابهها ظاهريًا مع الندوب التقليدية، إلا أن هذه الندوب لها آلية أساسية جديدة ناتجة عن التأثير المشترك للحالات شبه المتدهورة والاضطرابات الموضعية مكانيًا، [ 15 ] [ 19 ] ويمكن استخدامها لنشر حزم الموجات الكمومية في نقطة كمومية غير منتظمة بدقة عالية. [ 16 ]
  • ندوب الكم متعددة الأجسام.
  • التوطين متعدد الأجسام (MBL)، [ 20 ] أنظمة كمومية متعددة الأجسام تحتفظ بذاكرة حالتها الأولية في متغيرات محلية لفترات زمنية عشوائية. [ 21 ] [ 22 ]

ومن الأنظمة الأخرى التي تقاوم التوازن الحراري والتي تم فهمها بشكل أفضل الأنظمة الكمومية القابلة للتكامل [ 23 ] والأنظمة ذات التناظرات الديناميكية . [ 24 ]

مراجع

  1. "التصادمات والتوازن الحراري" . sdphca.ucsd.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-05-2018 .
  2. "هيئة التنظيم النووي: مسرد المصطلحات - التوازن الحراري" . www.nrc.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-05-2018 .
  3. أندرسون، أولوف؛ كيميرينك، مارتين (ديسمبر 2020). "تحسين جهد الدائرة المفتوحة في الخلايا الشمسية العضوية المتدرجة عن طريق تقويم خسائر التوازن الحراري" . Solar RRL . 4 (12) 2000400. doi : 10.1002/solr.202000400 . ISSN 2367-198X . S2CID 226343918 .  
  4. ساكوراي، ج. ج. 1985. ميكانيكا الكم الحديثة . مينلو بارك، كاليفورنيا: بنجامين/كومينغز
  5. ريد، جيمس سي.؛ إيفانز، دينيس جيه.؛ سيرلز، ديبرا جيه. (11 يناير 2012). "التواصل: ما وراء نظرية بولتزمان H: إثبات نظرية الاسترخاء لنهج غير رتيب للتوازن" (ملف PDF) . مجلة الفيزياء الكيميائية . 136 (2): 021101. Bibcode : 2012JChPh.136b1101R . doi : 10.1063/1.3675847 . hdl : 1885/16927 . ISSN 0021-9606 . PMID 22260556 .  
  6. غالافوتي، جيوفاني، محرر. (2008). مسألة فيرمي-باستا-أولام - تقرير حالة . سلسلة محاضرات في الفيزياء. المجلد 728. برلين، هايدلبرغ: سبرينغر برلين هايدلبرغ. doi : 10.1007/978-3-540-72995-2 . ISBN  978-3-540-72994-5.
  7. دوماس، هـ. سكوت (2014). قصة نظرية كولموغوروف-أرنولد-موسر الكلاسيكية - مقدمة مبسطة لمحتوى وتاريخ وأهمية هذه النظرية . [هاكنساك]، نيو جيرسي: شركة وورلد ساينتيفيك للنشر. ISBN 978-981-4556-58-3.
  8. دويون، بنيامين؛ هوبنر، فريدريش؛ يوشيمورا، تاكاتو (17 يونيو 2024). "أنظمة تكاملية كلاسيكية جديدة من تشوهات TT المعممة". رسائل المراجعة الفيزيائية . 132 (25) 251602. arXiv : 2311.06369 . doi : 10.1103/PhysRevLett.132.251602 . ISSN 0031-9007 . PMID 38996253 .  
  9. سبون، هربرت (2020). "مجموعات جيبس ​​المعممة لسلسلة تودا الكلاسيكية". مجلة الفيزياء الإحصائية . 180 ( 1-6 ): 4-22 . arXiv : 1902.07751 . doi : 10.1007/s10955-019-02320-5 . ISSN 0022-4715 . 
  10. "يبدو أن الندوب الكمومية تتحدى مساعي الكون نحو الفوضى" . مجلة كوانتا . 20 مارس 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 مارس 2019 .
  11. هيلر، إريك ج. (15 أكتوبر 1984). "الدوال الذاتية للحالة المقيدة لأنظمة هاميلتونية فوضوية كلاسيكية: آثار المدارات الدورية" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 53 (16): 1515-1518 . رمز Bibcode : 1984PhRvL..53.1515H . doi : 10.1103/PhysRevLett.53.1515 .
  12. كابلان، ل. (1999-01-01). "آثار في الدوال الموجية الفوضوية الكمومية". اللاخطية . 12 (2): R1– R40. arXiv : chao-dyn/9810013 . doi : 10.1088/0951-7715/12/2/009 . ISSN 0951-7715 . S2CID 250793219 .  
  13. كابلان، ل.؛ هيلر، إي. جيه. (10 أبريل 1998). "النظرية الخطية وغير الخطية لندوب الدوال الذاتية" . حوليات الفيزياء . 264 (2): 171-206 . arXiv : chao-dyn/9809011 . Bibcode : 1998AnPhy.264..171K . doi : 10.1006/aphy.1997.5773 . ISSN 0003-4916 . S2CID 120635994 .  
  14. هيلر، إريك (5 يونيو 2018). الطريق شبه الكلاسيكي للديناميكا والتحليل الطيفي . مطبعة جامعة برينستون. ISBN 978-1-4008-9029-3. OCLC 1104876980 . 
  15. 1 2 كيسكي-راهكونن، ج.؛ روهانين، أ. هيلر، EJ. راسانين ، إي. (2019-11-21). "ندبات الكم ليساجوس" . رسائل المراجعة البدنية . 123 (21) 214101. أرخايف : 1911.09729 . بيب كود : 2019PhRvL.123u4101K . دوى : 10.1103/PhysRevLett.123.214101 . بميد 31809168 . S2CID 208248295 .  
  16. 1 2 لوكو، بيرتو جي جي؛ دروري، بايرون. كلاليس، آنا؛ كابلان، ليف؛ هيلر، اريك J.؛ راسانين ، عيسى (2016/11/28). "تندب كمي قوي بسبب الشوائب المحلية" . التقارير العلمية . 6 (1) 37656. أرخايف : 1511.04198 . بيب كود : 2016NatSR...637656L . دوى : 10.1038/srep37656 . ISSN 2045-2322 . بمك 5124902 . بميد 27892510 .   
  17. ^ كيسكي-راهكونن، جيه. لوكو، PJJ؛ كابلان، ل.؛ هيلر، EJ. راسانين، إي. (2017/09/20). "ندبات كمومية يمكن السيطرة عليها في النقاط الكمومية لأشباه الموصلات" . المراجعة البدنية ب . 96 (9) 094204. أرخايف : 1710.00585 . بيب كود : 2017PhRvB..96i4204K . دوى : 10.1103/PhysRevB.96.094204 . S2CID 119083672 . 
  18. ^ كيسكي-راهكونن، ج. لوكو، PJJ؛ أوبيرج ، إس . راسانين ، إي (2019/01/21). “آثار التندب على الفوضى الكمومية في آبار الكم المضطربة”. مجلة الفيزياء: المادة المكثفة . 31 (10): 105301. أرخايف : 1806.02598 . بيب كود : 2019JPCM...31j5301K . دوى : 10.1088/1361-648x/aaf9fb . ISSN 0953-8984 . بميد 30566927 . S2CID 51693305 .   
  19. 1 2 كيسكي-راهكونن، جوناس (2020). الفوضى الكمومية في الهياكل النانوية المضطربة ثنائية الأبعاد . جامعة تامبيري. رقم ISBN 978-952-03-1699-0.
  20. ناندكيشور، راهول؛ هوس، ديفيد أ.؛ أبانين، د.أ.؛ سيربين، م.؛ بابيتش، ز. (2015). "التوطين والتوازن الحراري في ميكانيكا الكم الإحصائية". المراجعة السنوية لفيزياء المادة المكثفة . 6 : 15-38 . arXiv : 1404.0686 . Bibcode : 2015ARCMP...6...15N . doi : 10.1146/annurev-conmatphys-031214-014726 . S2CID 118465889 . 
  21. تشوي، جيه-واي؛ هيلد، إس؛ زيهر، جيه؛ شوس، بي؛ روبيو-أبادال، إيه؛ يفساح، تي؛ خيماني، في؛ هوس، دي إيه؛ بلوخ، آي؛ غروس، سي. (2016). "استكشاف انتقال التموضع متعدد الأجسام في بعدين". مجلة ساينس . 352 (6293): 1547-1552 . arXiv : 1604.04178 . Bibcode : 2016Sci...352.1547C . doi : 10.1126/science.aaf8834 . PMID 27339981. S2CID 35012132 .  
  22. وي، كين شوان؛ راماناثان، تشاندراسيكار؛ كابيلارو، باولا (2018). "استكشاف التموضع في سلاسل اللف المغزلي النووي". رسائل المراجعة الفيزيائية . 120 (7) 070501. arXiv : 1612.05249 . Bibcode : 2018PhRvL.120g0501W . doi : 10.1103/PhysRevLett.120.070501 . PMID 29542978. S2CID 4005098 .  
  23. كو، جان سيباستيان؛ إسلر، فابيان إتش إل (18 يونيو 2013). "التطور الزمني للمشاهدات المحلية بعد إخمادها إلى نموذج قابل للتكامل" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 110 (25) 257203. arXiv : 1301.3806 . Bibcode : 2013PhRvL.110y7203C . doi : 10.1103/PhysRevLett.110.257203 . PMID 23829756. S2CID 3549427 .  
  24. بوتشا، بيريسلاف؛ تيندال، جوزيف؛ جاكش، ديتر (15 أبريل 2019). "ديناميكيات الكم المتماسكة غير المستقرة للأجسام المتعددة عبر التبديد" . نيتشر كوميونيكيشنز . 10 (1): 1730. arXiv : 1804.06744 . Bibcode : 2019NatCo..10.1730B . doi : 10.1038 / s41467-019-09757-y . ISSN 2041-1723 . PMC 6465298. PMID 30988312 .