准静态颗粒流流动规律的热力学分析

本文分析了颗粒流的介观结构及其特征,提出了颗粒流的双颗粒温度概念Tkin和Tconf,表征颗粒无序运动和构型无序演化的程度;进而作为非平衡变量,与经典非平衡热力学(classical irreversible thermodynamics,CIT)变量共同构成颗粒流的热力学状态变量集,确定了颗粒流的能量转换规律和熵产生率等,发展了颗粒流双颗粒温度(two granular temperate,TGT)模型.以体积恒定的简单剪切准静态颗粒流为例,结合离散元模拟(discrete element method,DEM),确定了双颗粒温度模型所需的材料参数,分析了颗粒流发展段的规律和稳恒段的有效摩擦系数.     

颗粒介质弹性的弛豫

颗粒介质是复杂的多体相互作用体系, 其弹性源自内部的力链结构, 弹性能量处在亚稳态, 具有复杂的弛豫行为. 在常规作用下, 颗粒介质往往呈现明显的弹性弛豫. 应力松弛是应变恒定时应力的衰减现象, 弹性弛豫是应力松弛的主要原因. 在前期工作基础上, 从弹性势能面和双颗粒温度热力学角度分析了弹性弛豫的机理, 量化了弹性应力演化不可逆过程; 基于双颗粒温度热力学计算得到了弹性能、颗粒温度和应力的演化, 其中应力松弛的计算结果与实验结果基本一致, 讨论了颗粒温度初值和输运系数的影响. 指出, 开展力链结构及其动力学研究是揭示宏观弹性弛豫机理的关键.     

非均匀介质球颗粒的等效介电常量

从求解拉普拉斯方程的边值问题出发,讨论了非均匀介质球颗粒的等效介电常量,给出了多种介质组成的多壳层介质球颗粒的等效介电常量的一般递推公式,推导了壳层的介电常量随半径连续变化的梯度介质球的等效介电常量的微分方程．并以壳层的介电常量为幂函数为例,得到了梯度壳层介质球的等效介电常量．     

准静态颗粒介质的弹性势能弛豫分析

颗粒体系是典型的多体相互作用体系, 具有多重的能量亚稳态. 对于准静态颗粒体系, 引入构型颗粒温度T_c描述弹性势能涨落. 本文认为平衡的体系具有一定的构型颗粒温度T_a, 其量值反映了其结构特征. 当外界扰动激发的构型颗粒温度超出T_a时, 产生不可逆过程. 通过对应力松弛过程的分析, 发现(T_c-T_a)激发了弹性弛豫, 且(T_c-T_a)越大则松弛过程中应力变化越大, 最终构型颗粒温度T_c→T_a时,宏观应力松弛结束,体系达到新的能量亚稳态.     

现代热力学的完整分类系统--非平衡非耗散热力学新领域

在同一体系中同时有多个不可逆过程时，不可逆过程之间会有相互影响，原来的非自发过程有可能在其他自发过程的影响下得以进行，这种现象就称为热力学耦合或反应耦合，长期以来，经典热力学把热力学第二定律的等式作为平衡体系的充分必要条件，其中隐含了一个前提性的假定，即经典热力学的对象只限于非耦合的体系，摈弃这一隐含的前提性假定以后，热力学自身就发展成为一个现代热力学的完整学术体系，适用于任何宏观体系（包括极其复杂的生命体系），现代热力学的完整学术体系中包含了一个崭新的非平衡非耗散热力学新领域，由于该领域属于热力学第二定律的等式部分，因此可以定量计算，并得到一系列理论计算的非平衡相图，与文献上报道的激尖低压金刚石合成等的大量实验数据相符。     

介观非均匀双相介质中局域流对弹性波传播的影响

针对弹性波衰减与速度频散问题，基于Pride和Berryman的介观非均匀双重孔隙介质理论模型，推导一组用位移表示，另一组用位移及孔压表示的全新形式的耦合动力学方程组，并基于双孔介质模型，推导出弹性波的相速度与逆品质因子的解析式，重点讨论介观尺度下的局域流动对弹性波传播特性的影响.数值算例表明：快波的速度随着频率的增加而迅速增加，且介观流动损失比Biot损失至少高一个数量级；同时局域流对慢波也有着不同程度的影响.证实了局域流是波能损失和相速度频散的主要因素.     

非均匀介质的驻波演示及分析

本文给出利用特制弹簧和扬声器等材料，介绍了课堂用的均匀介质和课外探索用的非均匀介质演示仪的制作和分析。     

颗粒介质的离散态特性研究

回顾了颗粒介质中应力的分布和传播模式以及物体在颗粒介质中运动所受阻力的研究进展，并报道了我们对颗粒体系中代表离散特性的颗粒尺寸效应对颗粒介质特性影响的研究.研究发现物体由于自身重量在颗粒介质中下沉的深度随着颗粒尺寸的增大单调减小；球体在下陷过程中受到的颗粒床的支撑力，除了在约1 mm范围的表面作用区域以外，与下陷深度之间满足很好的幂率关系，幂值在1.5—1.0之间，并且此幂值随着颗粒尺寸的增大而单调减小.颗粒床的支撑力与下陷深度的幂率关系可解释为颗粒介质内部应力结构重组的宏观反应结果. 关键词： 颗粒物质 离散介质力学     

激光等离子体去除微纳颗粒的热力学研究

微杂质污染一直是影响精密器件制造质量和使用寿命的关键因素之一.对于微纳米杂质颗粒用传统的清洗方式(超声清洗等)难以去除,而激光等离子体冲击波具有高压特性,可以实现纳米量级杂质颗粒的去除,具有很大的应用潜力.本文主要研究了激光等离子体去除微纳米颗粒过程中的热力学效应:实验研究了激光等离子体在不同脉冲数下对Si基底上Al颗粒去除后的颗粒形貌变化,发现大颗粒会发生破碎而转变成小颗粒,一些颗粒达到熔点后发生相变形成光滑球体,这源于等离子体的热力学效应共同作用的结果.为了研究微粒物态转化过程,基于冲击波传播理论研究,得到冲击波压强与温度特性的演化规律;同时,利用有限元模拟方式研究激光等离子冲击波压强和温度对微粒作用规律,得到了颗粒内随时间变化的应力分布和温度分布,并在此基础上得到等离子体对颗粒的热力学作用机制.     

颗粒介质中的粘滞系数

将颗粒介质看成是等效均匀介质, 其中的声衰减系数和声速等于该颗粒介质中的相应的量值(它们可由作者的理论给出), 等效静态密度可以用二元混合规则求得. 此外, 根据浓颗粒介质中相互作用的声传播理论, 当入射波为平面波时, 相互作用的次级波仍然是平面波. 在这样的情况下, 可以将三维非线性方程组简化为一维情况, 从而算得浓颗粒介质中的粘滞系数, 结果表明, 颗粒介质中的粘滞系数不仅依赖于颗粒的体积分数而且还与频率有关. 根据推导过程可知, 对比于爱因斯坦理论所能应用的限制, 本文的结果可以更广泛地应用于实际介质.     

Effective temperature and fluctuation-dissipation theorem in athermal granular systems:A review

The definition and the previous measurements of a dynamics-relevant temperature-like quantity in granular media are reviewed for slow and fast particle systems. Especially, the validity of the fluctuation-dissipation theorem in such an athermal system is explored. Experimental evidences for the fluctuation-dissipation theorem relevant effect temperature support the athermal statistical mechanics, which has been widely explored in recent years by physicists. Difficulties encountered in defining temperature or establishing thermodynamics or statistical mechanics in non-equilibrium situations are discussed.     

The Young-Hoshino pseudopotential for lithium: calculations of structure and thermodynamics

The recently proposed Young-Hoshino model pseudopotential for lithium has been applied to the calculation of structure and thermodynamics. A slight modification of the model potential is necessary and this produces better core size and long range tail of the interionic effective pair potential than the original model.     

非平衡热力学中传热过程熵产表达式的修正

熵产是非平衡热力学中的核心物理量,传统上表示为广义力(驱动力)与广义流的乘积.这种表达存在两方面缺陷:一是广义力与广义流的拆分具有任意性;更重要的是,以其计算热波传递时熵产可以为负值,从而违反热力学第二定律.本文基于热质理论分析表明,传热过程的熵产实质上是由热质流体的热质能耗散引起的,所以熵产中的力不是驱动力而是阻力,并且具有力的量纲.由此提出的熵产修正表达式,不仅在计算热波传递过程中熵产恒为正值,与扩展不可逆热力学中的熵产表达式一致,而且不存在力和流拆分的任意性.     

Mesoscopic transport equations and contemporary thermodynamics: an introduction

The local equilibrium hypothesis is a very successful basis for non-equilibrium thermodynamics over a wide range of phenomena and physical situations. However, the increasing interest in small systems in nanotechnology, in rarefied gases in high-altitude aeronautics, in high-frequency behaviour in information processing, or the search for new materials with sophisticated internal microstructures and tailored thermal properties have led one to ask about the limits of validity of this hypothesis, and to go beyond it. Here we do so in a constructive way, i.e. not only pointing out at these limits, but also embedding the local-equilibrium theory in a more general framework which explicitly exhibits these limits and suggests how to go beyond them, in search for a wider range of applications and a deeper understanding of the foundations.     

Relationship between the thermodynamics of nonequilibrium state and the thermodynamics of nonequilibrium processes

The concept and equations of the thermodynamics of nonequilibrium state are compared with the postulates of linear thermodynamics of nonequilibrium processes. It is shown that all the four basic postulates can be obtained as consequences of the equations of the thermodynamics of nonequilibrium state. In the limiting case of small deviations from equilibrium, the thermodynamics of nonequilibrium state are reduced to linear thermodynamics of nonequilibrium processes.Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 12, pp. 10–14, December, 1990.     

Black hole thermodynamics from a possible model for internal structure

Treating a black hole as a relativistic gas of microblack holes (planckions) which have fermionic character, expressions for some thermodynamic quantities are obtained. These have the same structure as those obtained by Hawking by other considerations.