[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究通过在高度 h 处设置水平狭缝的分隔系统，研究了振动流化颗粒气体中的相分离现象。研究发现颗粒转移速率 j(N) 呈非单调变化，在中间颗粒数时达到峰值，表明存在临界分岔和类似相变的凝聚行为，作者将其解释为由能量非均匀性和动力不稳定性驱动的伪-麦克斯韦妖机制，这与近期忽略此类效应的模型相矛盾。

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

研究动机与目标

• 研究振动流化颗粒气体中非单调颗粒转移动力学的起源。
• 确定观察到的类似凝聚的行为是否源于真正的相变，还是源于自组织的妖类机制。
• 挑战近期未能考虑颗粒系统中动力不稳定性与能量非均匀性的建模方法。
• 在动力系统框架下，建立非线性转移速率 j(N) 与临界分岔之间的联系。
• 阐明振动加速度 af_ 在调节最大转移速率和系统临界性方面的作用。

提出的方法

• 采用在高度 h 处通过水平狭缝分隔的盒子实验装置，以控制隔间之间的颗粒转移。
• 测量作为源隔间颗粒数 N 的函数的颗粒转移速率 j。
• 系统性地改变振动加速度 af_，以评估其对 j(N) 及最大转移速率位置的影响。
• 应用动力系统理论对系统演化进行建模，并识别临界分岔。
• 分析 j(N) 曲线以检测非线性特征及在 n > 0.3 层之后的负斜率（dj/dN < 0）。
• 采用相空间分析以识别凝聚和临界行为的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 颗粒转移速率 j(N) 对颗粒数 N 的非单调依赖关系是否表明存在真正的相变，还是仅源于自组织机制？
• RQ2 振动加速度 af_ 在调节最大转移速率和系统临界性方面起什么作用？
• RQ3 随着层数 n 增加，系统动力学如何从线性行为过渡到强非线性行为？
• RQ4 所观察到的行为是否能通过动力系统模型中的临界分岔来解释？
• RQ5 该系统在多大程度上通过能量驱动的自组织行为模拟麦克斯韦妖？

主要发现

• 在低颗粒数时，颗粒转移速率 j(N) 随 N 线性增加，但当层数 n 超过 0.3 时，其行为变得强烈非线性。
• 当 n > 0.3 时，导数 dj/dN 变为负值，表明 j(N) 出现最大值，且该最大值随振动加速度 af_ 的提高而略微向右移动并增强。
• 在动力系统模型中识别出临界分岔，解释了凝聚及类似相变行为的出现。
• 系统表现出伪-麦克斯韦妖效应，即能量非均匀性和动力不稳定性导致无需外部控制的自组织分层。
• 最大转移速率随 af_ 略微增加，表明增强的能量输入促进了稳定、高转移状态的形成。
• 实验结果与近期未考虑所观察到的分岔和非线性动力学的建模工作相矛盾。