[论文解读] Are Temperature and other Thermodynamics Variables efficient Concepts for describing Granular Gases and/or Flows ?

P. Évesque|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2005

Granular flow and fluidized beds参考文献 4被引用 18

一句话总结

本文挑战了在振动流化颗粒气体中使用温度和热力学概念的合理性，认为由于能量注入不均匀且耗散强烈，这些概念效率低下。通过一个由相同粒子组成的简单模型，本文表明振动器更像一个速度控制装置（velostat）而非真正的恒温器，从而削弱了此类系统中标准热力学描述的有效性。

ABSTRACT

Granular flows and vibro-fluidised granular gases have been extensively studied recently; most of the theoretical analyses and the experimental descriptions use temperature and other thermodynamics concepts. However, taking the very simple case of a vibro-fluidised gas made of identical particles, we show the lack of efficiency of such concepts for the understanding of the physics of such systems. This results from both (i) the fact that the vibrator does not transmit the same amount of energy to each particle, but an amount which depends on its mass and/or its size and (ii) from the fact that it is a strongly dissipative medium. We conclude that most experimental device works rather as velostat as a thermostat. Pacs # : 5.40 ; 45.70 ; 62.20 ; 83.70.Fn

研究动机与目标

• 评估温度及其他热力学变量在描述振动流化颗粒气体时是否有效。
• 研究由振动激励驱动的颗粒系统中能量注入的物理基础。
• 评估此类系统与平衡统计力学中恒温器的类比关系。
• 挑战尽管存在内在矛盾，热力学概念在颗粒流研究中仍被广泛使用的问题。

提出的方法

• 分析由相同粒子组成的振动流化颗粒气体的简单模型。
• 研究振动壁向单个粒子的能量传递，表明其依赖于质量与尺寸。
• 强调颗粒系统的强耗散性，这违反了平衡热力学的假设。
• 将系统行为与速度控制装置（velostat）进行比较，该装置控制粒子速度而非温度。
• 通过理论分析证明能量输入在粒子间并非均分。
• 得出结论：由于非平衡和能量注入不均，标准热力学概念失效。

实验结果

研究问题

• RQ1 在能量输入不均的振动流化颗粒气体中，温度在多大程度上可以被有意义地定义？
• RQ2 在颗粒系统中，能量从振动壁的传递如何依赖于粒子的质量与尺寸？
• RQ3 为何标准热力学概念在强耗散颗粒介质中会失效？
• RQ4 振动驱动器在何种意义上更像速度控制装置而非热浴？
• RQ5 非均分能量注入对热力学描述在颗粒流中有效性的含义是什么？

主要发现

• 振动器提供的能量输入在粒子间并非均等分配，而是依赖于其质量与尺寸，违反了平衡热力学的均分假设。
• 系统的强耗散性阻止了真正热平衡的建立，使标准热力学概念无效。
• 振动驱动器更像一个速度控制装置——控制粒子速度——而非维持固定温度的恒温器。
• 因此，温度等热力学变量作为颗粒气体在振动激励下的描述量是低效且具有误导性的。
• 在此类背景下，颗粒气体模型中使用温度缺乏物理依据，尤其当能量注入不均时更为明显。
• 本文结论认为，热力学形式体系不足以描述振动流化颗粒系统的物理本质。