РЕЛАКСА́ЦИЯ

РЕЛАКСА́ЦИЯ в фи­зи­ке, про­цесс ус­та­нов­ле­ния тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия в фи­зич. сис­те­ме, со­стоя­щей из боль­шо­го чис­ла час­тиц. Р. – мно­го­сту­пен­ча­тый про­цесс, т. к. не все фи­зич. па­ра­мет­ры сис­те­мы стре­мят­ся к рав­но­ве­сию с оди­на­ко­вой ско­ро­стью. Обыч­но сна­ча­ла ус­та­нав­ли­ва­ет­ся рав­но­ве­сие по к.-л. па­ра­мет­ру (час­тич­ное рав­но­ве­сие). Все про­цес­сы Р. яв­ля­ют­ся не­рав­но­вес­ны­ми и не­об­ра­ти­мы­ми про­цес­са­ми, при ко­то­рых в сис­те­ме про­ис­хо­дит дис­си­па­ция энер­гии. Ис­сле­до­ва­ние этих про­цес­сов со­став­ля­ет пред­мет ки­не­ти­ки фи­зи­че­ской.

Вре­мя τ ус­та­нов­ле­ния час­тич­но­го или пол­но­го рав­но­ве­сия в сис­те­ме на­зы­ва­ет­ся вре­ме­нем ре­лак­са­ции. Ко­гда от­кло­не­ние от рав­но­ве­сия не­ве­ли­ко, Р. па­ра­мет­ра $x$ со вре­ме­нем $t$ обыч­но про­ис­хо­дит по за­ко­ну $x=x_0\exp(–t/τ)$, где $x_0$ – на­чаль­ное зна­че­ние па­ра­мет­ра $x$.

В га­зах Р. обу­слов­ле­на об­ме­ном энер­ги­ей и им­пуль­сом при пар­ных столк­но­ве­ни­ях час­тиц, а вре­мя Р. оп­ре­де­ля­ет­ся вре­ме­нем сво­бод­но­го про­бе­га час­тиц и эф­фек­тив­но­стью об­ме­на энер­ги­ей ме­ж­ду все­ми сте­пе­ня­ми сво­бо­ды стал­ки­ваю­щих­ся час­тиц. В од­но­атом­ных га­зах вы­де­ля­ют этап бы­ст­рой Р. (т. н. ки­не­тич. ста­дия), ко­гда за ко­рот­кий пе­ри­од вре­ме­ни, по­ряд­ка вре­ме­ни столк­но­ве­ния час­тиц, на­чаль­ное (силь­но не­рав­но­вес­ное) со­стоя­ние хао­ти­зи­ру­ет­ся на­столь­ко, что для его опи­са­ния дос­та­точ­но знать, как из­ме­ня­ет­ся во вре­ме­ни рас­пре­де­ле­ние по ко­ор­ди­на­там и им­пуль­сам все­го од­ной час­ти­цы (т. н. од­но­час­тич­ная функ­ция рас­пре­де­ле­ния). На вто­ром эта­пе Р. (т. н. гид­ро­ди­на­мич. ста­дия) за вре­мя по­ряд­ка вре­ме­ни сво­бод­но­го про­бе­га в ре­зуль­та­те все­го не­сколь­ких столк­но­ве­ний в мак­ро­ско­пи­че­ски ма­лых объ­ё­мах ус­та­нав­ли­ва­ет­ся ло­каль­ное тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сие. Оно ха­рак­те­ри­зу­ет­ся па­ра­мет­ра­ми со­стоя­ния (темп-рой, хи­мич. по­тен­циа­лом и др.), ко­то­рые за­ви­сят от про­стран­ст­вен­ных ко­ор­ди­нат и вре­ме­ни и мед­лен­но стре­мят­ся к рав­но­вес­ным зна­че­ни­ям в ре­зуль­та­те боль­шо­го чис­ла столк­но­ве­ний (про­цес­сы те­п­ло­про­вод­но­сти, диф­фу­зии, вяз­ко­сти и др.). Вре­мя Р. за­ви­сит от раз­ме­ра сис­те­мы и ве­ли­ко по срав­не­нию со ср. вре­ме­нем сво­бод­но­го про­бе­га.

В мно­го­атом­ных га­зах мо­жет быть за­мед­лен об­мен энер­ги­ей ме­ж­ду по­сту­пат. и внутр. сте­пе­ня­ми сво­бо­ды час­тиц. Бы­ст­рее все­го (за вре­мя по­ряд­ка вре­ме­ни ме­ж­ду столк­но­ве­ния­ми) ус­та­нав­ли­ва­ет­ся рав­но­ве­сие по по­сту­пат. сте­пе­ням сво­бо­ды. Рав­но­ве­сие ме­ж­ду по­сту­пат. и вра­щат. сте­пе­ня­ми сво­бо­ды ус­та­нав­ли­ва­ет­ся зна­чи­тель­но мед­лен­нее.

В сме­сях га­зов с силь­но раз­ли­чаю­щими­ся мас­са­ми час­тиц за­мед­лен об­мен энер­ги­ей ме­ж­ду ком­по­нен­та­ми, вслед­ст­вие че­го воз­мож­ны по­яв­ле­ние со­стоя­ния с разл. темп-ра­ми ком­по­нент и про­цес­сы Р. их темп-р. Напр., в плаз­ме быст­рее все­го ус­та­нав­ли­ва­ет­ся рав­но­ве­сие элек­трон­ной ком­по­нен­ты, за­тем при­хо­дит в рав­но­ве­сие ион­ная ком­по­нен­та, и зна­чи­тель­но боль­шее вре­мя тре­бу­ет­ся для ус­та­нов­ле­ния рав­но­ве­сия ме­ж­ду элек­тро­на­ми и ио­на­ми.

В жид­ко­сти Р. опи­сы­ва­ют с по­мо­щью про­стран­ст­вен­но-вре­менны́х кор­ре­ля­ци­он­ных функ­ций, ха­рак­те­ри­зую­щих за­ту­ха­ние во вре­ме­ни и про­стран­ст­ве вза­им­но­го влия­ния мо­ле­кул (кор­ре­ля­ций). Эти кор­ре­ля­ции яв­ля­ют­ся при­чи­ной не­об­ра­ти­мых про­цес­сов – те­п­ло­про­вод­но­сти и вяз­ко­сти.

В твёр­дых те­лах Р. опи­сы­ва­ют как Р. в га­зе ква­зи­ча­стиц. Напр., в кри­стал­лич. ре­шёт­ке при низ­ких темп-pax уп­ру­гие ко­ле­ба­ния трак­ту­ют как газ фо­но­нов. Р. внутр. энер­гии в кри­стал­лич. ре­шёт­ке опи­сы­ва­ет­ся ки­не­тич. урав­не­ни­ем для фо­но­нов. В сис­те­ме спи­но­вых маг­нит­ных мо­мен­тов фер­ро­маг­не­ти­ка ква­зи­ча­сти­ца­ми яв­ля­ют­ся маг­но­ны (см. Ре­лак­са­ция маг­нит­ная). Р., обу­слов­лен­ная рас­про­стра­не­ни­ем зву­ко­вых волн в ве­ще­ст­ве, с ко­то­рой свя­за­но по­гло­ще­ние зву­ка, на­зы­ва­ет­ся ре­лак­са­ци­ей аку­сти­че­ской.

Лит. см. при ст. Ки­не­ти­ка фи­зи­че­ская.