Виробництво ентропії в обмежених системах у процесі полегшеної дифузії. Загальний вираз для потоків

Abstract

Однiєю з основних задач термодинамiки незворотних процесiв як польової теорiї є отримання концентрацiйної залежностi iнтенсивностi виробництва ентропiї в системi для рiзноманiтних незворотних процесiв, що в нiй протiкають. У роботi розглядаються особливостi виробництва ентропiї в обмежених системах при протiканнi процесiв дифузiї та можливих хiмiчних реакцiй з урахуванням концентрацiйної залежностi коефiцiєнта дифузiї. Надзвичайно складним для експериментального та теоретичного вивчення є визначення виробництва ентропiї в обмежених системах, таких як бiологiчнi мембрани (в яких можуть вiдбуватися хiмiчнi реакцiї та проходити процеси дифузiї), мезооб’єкти, нанооб’єкти тощо. В роботi одержано загальний вираз для рiвняння дифузiї, а також обчислено концентрацiйну залежнiсть коефiцiєнта дифузiї на основi загальних принципiв нерiвноважної термодинамiки, що дозволяє розглянути особливостi виробництва ентропiї в обмежених системах при протiканнi процесiв дифузiї та можливих хiмiчних реакцiй. Отриманий результат вказує на iстотну залежнiсть коефiцiєнта дифузiї вiд концентрацiї розчину, яка визначається, в основному, термiчним рiвнянням стану системи.

Одной из основных задач термодинамики необратимых процессов как полевой теории является получение концентрационной зависимости интенсивности производства энтропии в системе для различных протекающих в ней необратимых процессов. В работе рассматриваются особенности производства энтропии в ограниченных системах при протекании процессов диффузии и возможных химических реакций с учетом концентрационной зависимости коэффициента диффузии. Особо сложным для изучения как экспериментально, так и теоретически является производство энтропии в ограниченных системах, таких как биологические мембраны (в которых могут проходить химические реакции и протекать процессы диффузии), мезообъекты, нанообъекты и т. п. В работе получен общий вид уравнения диффузии, а также найдена концентрационная зависимость коэффициента диффузии на основе общих принципов неравновесной термодинамики, что позволяет рассматривать особенности производства энтропии в ограниченных системах при протекании процессов диффузии и возможных химических реакций. Полученный результат указывает на существенную зависимость коэффициента диффузии от концентрации раствора, которая, в основном, определяется термическим уравнением состояния системы.

Evaluation of the entropy production intensity dependence on the concentration in different processes running in a system is one of the main tasks of the nonequilibrium thermodynamics as a field theory. Here, we focus on the peculiarities of the entropy production in the diffusion processes followed by chemical reactions in the bounded systems with regard for the diffusion coefficient dependence on the concentration. Especially difficult for investigation either experimentally or theoretically is the entropy production in the bounded systems (e. g., biological membranes with the diffusion processes followed by chemical reactions (facilitated diffusion), nanosystems, etc.) On the basis of nonequilibrium thermodynamics, we found the general diffusion equation and the diffusion coefficient dependence on the concentration. This allows investigating the peculiarities of the entropy production for bounded systems in the diffusion process that could be followed by chemical reactions. The obtained result shows the strong dependence of the diffusion coefficient on the concentration of a solution that is mainly determined by the thermic equation of state.