[论文解读] What is the Pressure of an Active Particle Fluid

Alexandre Solon, Yaouen Fily+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2014

Advanced Physical and Chemical Molecular Interactions参考文献 1被引用 2

一句话总结

本文表明，在活性粒子流体中，压力并非像平衡系统那样仅由整体热力学性质决定，而是关键取决于粒子-壁面和粒子-粒子相互作用。因此，活性流体通常不具备普适的状态方程，表现出违背标准热力学推理的异常力学行为，尽管在特定相互作用类型受限的模型中，压力仍为状态函数。

ABSTRACT

Pressure is the mechanical force per unit area that a confined system exerts on its container. In thermal equilibrium, it depends only on bulk properties (density, temperature, etc.) through an equation of state. Here we show that in a wide class of active systems the pressure depends on the precise interactions between the active particles and the confining walls. In general, therefore, active fluids have no equation of state, their mechanical pressures exhibit anomalous properties that defy the familiar thermodynamic reasoning that holds in equilibrium. The pressure remains a function of state, however, in some specific and well-studied active models that tacitly restrict the character of the particle-wall and/or particle-particle interactions.

研究动机与目标

• 研究活性粒子流体中的压力是否可如平衡系统那样由常规状态方程描述。
• 确定粒子-壁面和粒子-粒子相互作用如何影响活性流体中的机械压力。
• 评估热力学推理在非平衡活性系统中的有效性。
• 识别在非平衡动力学下压力仍为状态函数的条件。

提出的方法

• 分析一大类活性粒子模型，以评估压力对相互作用细节的依赖性。
• 比较活性系统中压力行为与由状态方程控制的平衡系统中的压力行为。
• 利用机械力平衡和统计力学推导受限活性流体中的压力表达式。
• 识别出由于相互作用类型受限，压力仍为状态函数的特定模型。
• 通过数学推导表明，一般活性系统缺乏普适的状态方程。

实验结果

研究问题

• RQ1 活性粒子流体中的压力是否仅取决于整体性质，如平衡系统中的密度和温度？
• RQ2 粒子-壁面相互作用如何影响活性流体中的机械压力？
• RQ3 能否用普适的状态方程描述活性流体中的压力？
• RQ4 在何种条件下，活性系统中的压力仍为状态函数？

主要发现

• 活性流体中的压力并非仅由密度和温度等整体性质决定，而是取决于特定的粒子-壁面和粒子-粒子相互作用。
• 由于压力依赖于相互作用，活性流体通常缺乏普适的状态方程。
• 活性系统中异常的压力特性违背了适用于平衡系统的标准热力学推理。
• 在某些相互作用类型受限的著名活性模型中，尽管存在非平衡动力学，压力仍为状态函数。