[論文レビュー] Phase transition or Maxwell's demon in Granular gas?

Pierrick Jean, H. Bellenger+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2005

Granular flow and fluidized beds参考文献 8被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、高さ h に水平なスリットを設けたコンpartment化された系を用いて、振動流動化された粉体ガスにおける相分離を調査する。非単調な転送レート j(N) が中程度の粒子数でピークに達することを示し、臨界分岐と凝縮現象が相転移に類似していることを示しており、著者らはこれをエネルギー不均一性と動的不安定性によって駆動される擬似Maxwellの悪魔機構と解釈している。これは、このような効果を無視する最近のモデルとは対照的である。

ABSTRACT

Dynamics of vibro-fluidised granular gas is investigated experimentally using the transfer of grains from a compartment through a horizontal slit at a given height h . It is demonstrated that the transfer rate j varies linearly with the grain number N in the box when N remains small; however j(N) becomes strongly non linear as soon as the number n of layers is larger than 0.3; dj/dN becomes negative for n>0.4.It is found also that the maximum of j(N) increases slightly with the acceleration af_ of the vibration which excites the granular gas. Using dynamical system theory, dynamics equations are written, and a critical bifurcation is found, which explains the existence of a condensation and of a phase transition. This explains how the pseudo " Maxwell's demon" works in granular gases. This experiments contradicts recent modeling . Pacs # : 5.40 ; 45.70 ; 62.20 ; 83.70.Fn

研究の動機と目的

• 振動流動化された粉体ガスにおける非単調な粒子転送ダイナミクスの起源を調査すること。
• 観察された凝縮的挙動が真の相転移に起因するのか、それとも自己組織的で悪魔的メカニズムに起因するのかを特定すること。
• 動的不安定性やエネルギー不均一性を考慮しない最近のモデル手法に反論すること。
• 非線形転送レート j(N) と動的系フレームワーク内での臨界分岐との間の関係を確立すること。
• 振動加速度 af_ が最大転送レートおよびシステムの臨界定度をどのように調節するかを明らかにすること。

提案手法

• 高さ h に水平なスリットを設けた箱を用いた実験的セットアップにより、コンpartment間の粒子転送を制御する。
• 供給側コンパートメント内の粒子数 N の関数としての粒子転送レート j を測定する。
• 振動加速度 af_ を系統的に変化させ、j(N) および最大転送レートの位置に与える影響を評価する。
• 動的系理論を応用して、システムの時間発展をモデル化し、臨界分岐を同定する。
• j(N) 曲線の分析により、非線形性および n > 0.3 层を超えて負の勾配（dj/dN < 0）を検出する。
• 位相空間解析を用いて、凝縮および臨界的挙動の出現を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子数 N に対する粒子転送レート j(N) の非単調な依存関係は、真の相転移を示唆するのか、それとも自己組織的メカニズムを示唆するのか？
• RQ2 振動加速度 af_ が最大転送レートおよびシステムの臨界定度をどのように調節するのか？
• RQ3 層数 n が増加するに従い、システムのダイナミクスが線形から強く非線形な挙動へどのように遷移するのか？
• RQ4 観察された挙動は、動的系モデルにおける臨界分岐によって説明可能か？
• RQ5 エネルギー駆動の自己組織化を通じて、システムがどれほどMaxwellの悪魔に類似しているか？

主な発見

• 粒子数 N が小さい範囲では、粒子転送レート j(N) は N に対して線形に増加するが、層数 n が 0.3 を超えると強く非線形になる。
• n > 0.3 の範囲で微分係数 dj/dN が負になることから、j(N) に最大値が存在し、より高い振動加速度 af_ に伴いそのピーク位置と値がわずかに上昇する。
• 動的系モデルにおいて臨界分岐が同定され、凝縮および相転移に類似した挙動の出現が説明された。
• システムは擬似Maxwellの悪魔効果を示し、エネルギー不均一性と動的不安定性が外部制御なしに自己組織的分離を引き起こす。
• 最大転送レートは af_ が上昇するにつれてわずかに増加しており、エネルギー入力の増強が安定で高転送状態の形成を促進していることを示唆する。
• 実験結果は、観察された分岐および非線形ダイナミクスを考慮しない最近のモデル研究とは矛盾する。