Как вязкость вызывает диссипацию? [закрыто]

Я не физик, так что потерпите меня. Я пытаюсь понять механизм, посредством которого энергия рассеивается в жидкости или твердом теле. Часто объяснение заключается в том, что это происходит из-за вязкости или трения и что необходимо добавить силы, зависящие от скорости, которые уменьшают общую энергию. Однако на молекулярном и термодинамическом уровне энергия должна сохраняться. Мне нужно лучше понять природу рассеиваемого тепла и куда оно уходит.

Этот вопрос Как описывается вязкость на молекулярном уровне? дал мне некоторые хорошие идеи, но я все еще озадачен несколькими вещами. Давайте возьмем сценарий взаимодействия молекул через потенциалы Леннарда-Джонса и позволим им падать под действием силы тяжести (или даже в невесомости). В реальном мире этот пучок частиц всегда будет достигать равновесия, т.е. нулевой скорости и кинетической энергии относительно своей инерциальной системы отсчета. Высоковязкие материалы сделают это быстрее. Насколько я понимаю, это потому, что энергия превращается в тепло, хотя под энергией мы подразумеваем здесь на самом деле «полезную» энергию, которую я не уверен, что это значит.

Мой вопрос: что происходит с энергией течения в вязкой жидкости (на молекулярном уровне)? Трансформируется ли она в повышение температуры, повышение энтропии, кинетическую энергию скрытых степеней свободы, накопленную потенциальную энергию, тепловыделение в окружающую среду или что-то еще?

Диссипативные эффекты вносят необратимость и увеличивают порядок производных (в уравнениях движения) на нечетное число (от производных первого порядка), поэтому вязкость связана с производной второго порядка. У меня есть более подробная информация на http://physics.stackexchange.com/a/139436/59023 .
Я голосую за закрытие этого вопроса, потому что он задает слишком много вопросов, охватывающих широкую тему. Этот сайт не заменяет изучения учебника или его эквивалента, а также привлечения репетитора или учителя. Помимо связанного вопроса, есть много других ресурсов для изучения вязкости.
Я думаю, это было просто подло. Я думал, что это и есть цель этого сайта. Вы отлично справляетесь с блокировкой доступа к знаниям. Вместо этого вы могли бы указать мне на учебник. Я благодарю остальных, кто ответил. Вам не кажется, что если бы у меня был репетитор, я бы сюда не спрашивал? Не беспокойтесь ни вы, ни другие: я не буду переформулировать и больше ничего не буду спрашивать на этом сайте.
@honeste_vivere: Теперь я понимаю, почему энтропия увеличивается и, следовательно, необратимость, но мне нужно будет более внимательно изучить вашу математику, чтобы правильно понять часть с производным порядком. Спасибо!
@zetzar - Самое простое решение проблемы, из-за которой ваш вопрос был закрыт, - это задать более короткий и лаконичный вопрос для каждого сообщения. Если вы зададите несколько сложных вопросов в одном посте, любой возможный ответ будет настолько длинным, что его нельзя будет прочитать, не говоря уже о том, чтобы быть полезным для более широкой аудитории. Имеет ли это смысл?
Ответ на этот вопрос узнать легко: возьмите вязкое масло, электродрель с плоской насадкой и термометр. Измерьте температуру масла, опустите сверло с плоской насадкой в ​​масло на некоторое время (будьте осторожны, чтобы не разбрызгаться), остановитесь, подождите, пока прекратится любое макроскопическое движение (это произойдет очень быстро, если масло вязкое), измерьте снова температура. Хорошо, теперь вы знаете, куда ушла хотя бы часть энергии. Повторите эксперимент более тщательно: измерьте крутящий момент и скорость вращения, чтобы узнать входную мощность и т. д. и т. д. Теперь вы знаете, куда уходит энергия: на нагрев масла.

Ответы (2)

Полная энергия замкнутой системы всегда сохраняется (временной перенос, теорема Нётер). Однако эта энергия может перейти от макроскопического движения (потока жидкости) к случайным колебаниям молекул.

Я не уверен на 100% в термодинамике, но попробую.

Полная энергия U все еще там, но он изменился на тепло. скорость в молекул также не изменились, но направления оказались рандомизированными!

Что также изменилось, так это энтропия С . Существует всего несколько возможных реализаций идеального ламинарного течения с определенной скоростью. Для случайных вибраций у вас есть гораздо больше возможных конфигураций. Таким образом, хотя внутренняя энергия U не изменилась, «полезная» макроскопическая энергия Ф (свободная энергия Гельмгольца) изменилась:

Ф "=" U − Т С .
В закрытой системе мы знаем, что U фиксированный. Итак, давайте перепишем это как
U "=" Ф + Т С .
Итак, мы начинаем с конфигурации с низкой энтропией С . Это означает, что полезная энергия высока. Тогда за счет различных релаксационных процессов энтропия С будет увеличиваться. Предполагая, что температура Т не сильно изменится, тогда мы будем иметь уменьшение полезной энергии Ф .

Таким образом, тепло по-прежнему является формой энергии, хотя и не может использоваться напрямую в качестве кинетической энергии макроскопического объекта (скажем, качающегося маятника).

Спасибо за ответ. Я понимаю вашу точку зрения, и именно это я имел в виду под полезной энергией. Итак, если энтропия увеличивается, при постоянной T свободная энергия уменьшается, и это эффект вязкости - она ​​рассеивает F в тепло Q=TS? Но зачем нам нужно добавлять специальный член вязкого сопротивления при написании уравнений движения набора частиц или Навье-Стокса, чтобы объяснить это явление? Является ли полная энергия/гамильтониан эквивалентной в этом случае F и причина, по которой она не сохраняется, заключается в том, что мы не можем учесть все степени свободы?
Вернемся к примеру с водой и медом: если моделировать на молекулярном уровне, то такие термины не нужны, вязкость должна появиться сама собой. Очевидно, мед должен течь медленнее. Что же тогда является мерой затухания/рассеяния энергии? Это энтропия или кинетическая энергия? Потому что то, что воспринимает глаз, - это более низкие скорости - означает ли это, что потоки меда имеют меньшую кинетическую энергию, чем вода? Но если температура соответствует средней кинетической энергии, то не должна ли вязкость как-то отражаться в T?
Если вы выполняете симуляцию на микроскопическом уровне, трение отсутствует, и все это должно возникать из микроскопической степени свободы. Полная энергия равна U , так ⟨ ЧАС ⟩ "=" U . Их слишком много, чтобы делать макроскопическое моделирование. Уравнение Навье-Стокса — это эффективная/феноменологическая вещь, описывающая соответствующую степень свободы системы. Мерой рассеивания с соответствующими степенями свободы должно быть увеличение С .

Частично ответ заключается в том, что при низком числе Рейнольдса в обтекаемом потоке сопротивление практически отсутствует. Однако на более высоких скоростях след от движущегося объекта создает вихри (и делает это случайным образом, происходит спонтанное нарушение симметрии). Эти случайные вихри вызывают тормозящую силу, квадрат скорости, которая теряет энергию, независимо от того, идете ли вы на север или на юг... это определенно неконсервативное силовое поле. Сопротивление может быть уменьшено некоторыми формами, которые рассеивают вихри (чтобы вихрь не сталкивался с движущимся объектом).

В любом случае вихри распадаются на тепловую энергию в жидкости. Вода у основания Ниагарского водопада немного теплее, чем вода наверху, поэтому энергия не только теряется из-за сплошных стен.

Это интересно: вихри вызывают сопротивление. Я буду копать больше. Кроме того, вы говорите, что распад энергии находится в тепловой энергии, то есть в повышении температуры, а Мартин сказал, что это просто в энтропии. Я подумаю об этом. Спасибо, в любом случае!
В спонтанном нарушении симметрии есть энтропия; это часть термализации. Энтропийное смешивание сливок с кофе также начинается с образования вихря вокруг движущейся ложки...
Как вязкость вызывает диссипацию? [закрыто]
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v