В термодинамике диссипация является результатом необратимого процесса , который влияет на термодинамическую систему . В диссипативном процессе энергия ( внутренняя , кинетическая объемного потока или потенциал системы ) преобразуется из начальной формы в конечную форму, где способность конечной формы выполнять термодинамическую работу меньше, чем у начальной формы. Например, передача энергии в виде тепла является диссипативной, поскольку это передача энергии, отличная от термодинамической работы или переноса вещества, и распространяет ранее сконцентрированную энергию. Согласно второму закону термодинамики , при проводимости и излучении от одного тела к другому энтропия изменяется с температурой (уменьшает способность комбинации двух тел выполнять работу), но никогда не уменьшается в изолированной системе.
В машиностроении диссипация — это необратимое преобразование механической энергии в тепловую с сопутствующим увеличением энтропии. [1]
Процессы с определенной локальной температурой производят энтропию с определенной скоростью. Скорость производства энтропии, умноженная на локальную температуру, дает рассеиваемую мощность . Важными примерами необратимых процессов являются: поток тепла через тепловое сопротивление , поток жидкости через сопротивление потоку, диффузия (смешивание), химические реакции и поток электрического тока через электрическое сопротивление ( джоулев нагрев ).
Диссипативные термодинамические процессы по сути необратимы, поскольку они производят энтропию . Планк считал трение ярким примером необратимого термодинамического процесса. [2] В процессе, в котором температура локально непрерывно определена, локальная плотность скорости производства энтропии, умноженная на локальную температуру, дает локальную плотность рассеиваемой мощности. [ необходимо определение ]
Конкретное проявление диссипативного процесса не может быть описано одним индивидуальным гамильтоновым формализмом. Диссипативный процесс требует набора допустимых индивидуальных гамильтоновых описаний, точное описание которого описывает фактическое конкретное проявление интересующего процесса неизвестно. Это включает в себя трение и удары молотком, а также все подобные силы, которые приводят к декогеренции энергии, то есть преобразованию когерентного или направленного потока энергии в непрямое или более изотропное распределение энергии.
«Преобразование механической энергии в тепло называется рассеиванием энергии». – Франсуа Родье [3] Этот термин также применяется к потере энергии из-за образования нежелательного тепла в электрических и электронных цепях.
В вычислительной физике численная диссипация (также известная как « Численная диффузия ») относится к определенным побочным эффектам, которые могут возникнуть в результате численного решения дифференциального уравнения. Когда чистое уравнение адвекции , которое свободно от диссипации, решается методом численного приближения, энергия начальной волны может быть уменьшена способом, аналогичным диффузионному процессу. Говорят, что такой метод содержит «диссипацию». В некоторых случаях «искусственная диссипация» намеренно добавляется для улучшения численных характеристик устойчивости решения. [4]
Формальное математическое определение диссипации, обычно используемое при математическом изучении динамических систем, сохраняющих меру , дано в статье «Блуждающее множество» .
Рассеивание — это процесс преобразования механической энергии нисходящей воды в тепловую и акустическую энергию. Различные устройства проектируются в руслах рек для уменьшения кинетической энергии текущей воды, чтобы уменьшить ее эрозионный потенциал на берегах и дне реки . Очень часто эти устройства выглядят как небольшие водопады или каскады , где вода течет вертикально или по каменной наброске, теряя часть своей кинетической энергии .
Важными примерами необратимых процессов являются:
Волны или колебания теряют энергию с течением времени , как правило, из-за трения или турбулентности . Во многих случаях «потерянная» энергия повышает температуру системы . Например, говорят, что волна , которая теряет амплитуду , рассеивается. Точная природа эффектов зависит от природы волны: например, атмосферная волна может рассеиваться вблизи поверхности из-за трения с земной массой, а на более высоких уровнях — из-за радиационного охлаждения .
Понятие диссипации было введено в область термодинамики Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1852 году. [7] Лорд Кельвин вывел, что подмножество вышеупомянутых необратимых диссипативных процессов будет происходить, если процесс не будет управляться «совершенным термодинамическим двигателем». Процессы, которые определил лорд Кельвин, были трением, диффузией, проводимостью тепла и поглощением света.