Wie verursacht Viskosität Dissipation? [geschlossen]

Ich bin kein Physiker, also haben Sie Geduld mit mir. Ich versuche, den Mechanismus zu verstehen, durch den Energie in einer Flüssigkeit oder einem Feststoff dissipiert wird. Die Erklärung ist oft, dass dies durch Viskosität oder Reibung geschieht und dass geschwindigkeitsabhängige Kräfte hinzugefügt werden müssen, die die Gesamtenergie reduzieren. Auf molekularer und thermodynamischer Ebene sollte jedoch Energie erhalten bleiben. Ich muss die Natur der abgeführten Wärme besser verstehen und wohin sie geht.

Diese Frage Wie wird Viskosität auf molekularer Ebene beschrieben? gab mir einige gute Einblicke, aber ich bin immer noch verwirrt über ein paar Dinge. Nehmen wir ein Szenario von Molekülen, die über Lennard-Jones-Potentiale interagieren, und lassen sie unter der Schwerkraft fallen (oder sogar in null g). In der realen Welt erreicht dieses Teilchenbündel immer ein Gleichgewicht, dh Nullgeschwindigkeit und kinetische Energie relativ zu seinem Inertialsystem. Hochviskose Materialien machen es einfach schneller. Soweit ich weiß, liegt dies daran, dass Energie in Wärme umgewandelt wird, obwohl wir hier mit Energie eigentlich "nützliche" Energie meinen, von der ich nicht sicher bin, was sie bedeutet.

Meine Frage ist: Was passiert mit der Energie der Strömung in einer viskosen Flüssigkeit (auf molekularer Ebene)? Wird es in erhöhte Temperatur, erhöhte Entropie, kinetische Energie verborgener Freiheitsgrade, gespeicherte potentielle Energie, Wärmeabgabe an die Umgebung oder etwas anderes umgewandelt?

Dissipative Effekte führen zu Irreversibilität und erhöhen die Ordnung der Ableitungen (in den Bewegungsgleichungen) um eine ungerade Zahl (von Ableitungen erster Ordnung), weshalb die Viskosität mit einer Ableitung zweiter Ordnung verbunden ist. Ich habe einige weitere Details unter http://physics.stackexchange.com/a/139436/59023 .
Ich stimme dafür, diese Frage zu schließen, weil sie zu viele Fragen stellt, die ein breites Thema abdecken. Diese Website ist kein Ersatz für das Studium eines Lehrbuchs oder eines gleichwertigen Buchs oder die Beauftragung eines Tutors oder Lehrers. Neben der verlinkten Frage gibt es noch viele andere Quellen zum Thema Viskosität.
Ich glaube, das war einfach gemein. Ich dachte, das wäre genau der Zweck dieser Seite. Sie leisten großartige Arbeit darin, den Zugang zu Wissen zu blockieren. Stattdessen hättest du mich auf ein Lehrbuch verweisen können. Ich danke den anderen, die geantwortet haben. Glaubst du nicht, wenn ich einen Nachhilfelehrer hätte, würde ich hier nicht fragen? Keine Sorge, Sie und die anderen: Ich werde auf dieser Seite nichts umformulieren und nichts mehr fragen.
@honeste_vivere: Ich kann jetzt sehen, warum die Entropie zunimmt und damit die Irreversibilität, aber ich muss mir Ihre Mathematik genauer ansehen, um den Teil mit der Ableitungsreihenfolge richtig zu verstehen. Danke!
@zetzar - Die einfachste Lösung für das Problem, das zum Schließen Ihrer Frage geführt hat, besteht darin, für jeden Beitrag eine kürzere, prägnantere Einzelfrage zu stellen. Wenn Sie in einem Beitrag mehrere, komplizierte Fragen stellen, wäre jede mögliche Antwort so lang, dass sie nicht gelesen werden kann, geschweige denn, dass sie für ein breiteres Publikum nützlich ist. Ist das sinnvoll?
Die Antwort auf diese Frage ist leicht zu finden: Holen Sie sich etwas zähflüssiges Öl, eine elektrische Bohrmaschine mit flachem Bohrer und ein Thermometer. Messen Sie die Temperatur des Öls, lassen Sie den Bohrer eine Weile mit dem flachen Bohrer im Öl laufen (Vorsicht vor Spritzern), halten Sie an, warten Sie, bis jede makroskopische Bewegung aufhört (dies geht sehr schnell, wenn das Öl viskos ist), messen Sie die Temperatur wieder. OK, jetzt wissen Sie, wohin zumindest ein Teil der Energie geflossen ist. Wiederholen Sie das Experiment sorgfältiger: Messen Sie das Drehmoment und die Drehzahl, um die Eingangsleistung & c & c zu kennen. Jetzt wissen Sie, wohin die Energie geht: das Erhitzen des Öls.

Antworten (2)

Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems bleibt immer erhalten (Zeittranslation, Satz von Noether). Diese Energie könnte jedoch von makroskopischer Bewegung (Flüssigkeitsfluss) in zufällige Schwingungen der Moleküle übergehen.

Ich bin mir der Thermodynamik nicht 100% sicher, aber ich werde es versuchen.

Die Gesamtenergie U ist immer noch da, aber es hat sich in Wärme geändert. Die Geschwindigkeit v der Moleküle hat sich auch nicht geändert, allerdings wurden die Richtungen randomisiert!

Was sich auch geändert hat, ist die Entropie S . Es gibt nur wenige mögliche Realisierungen einer perfekten laminaren Strömung mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Für zufällige Vibrationen haben Sie viel mehr mögliche Konfigurationen. Also obwohl die innere Energie U Nicht verändert hat sich die „nützliche“ makroskopische Energie F (Freie Helmholtz-Energie) hat sich geändert:

F = U − T S .
In einem geschlossenen System wissen wir das U Ist repariert. Also schreiben wir es um als
U = F + T S .
Wir beginnen also mit einer Konfiguration mit niedriger Entropie S . Das bedeutet, dass die nutzbare Energie hoch ist. Dann aufgrund verschiedener Relaxationsprozesse die Entropie S wird steigen. Angenommen, die Temperatur T ändert sich nicht viel, wir haben dann eine Abnahme der nutzbaren Energie F .

Wärme ist also immer noch eine Form von Energie, wenn auch nicht direkt als kinetische Energie eines makroskopischen Objekts (z. B. eines schwingenden Pendels) nutzbar.

Danke für die Antwort. Ich verstehe Ihren Punkt, und das meinte ich mit nützlicher Energie. Wenn also die Entropie zunimmt, nimmt die freie Energie bei konstantem T ab, und dies ist der Effekt der Viskosität - sie zerstreut F in Wärme Q = TS? Aber warum müssen wir beim Schreiben der Bewegungsgleichungen für eine Sammlung von Teilchen oder Navier-Stokes einen speziellen Term für den viskosen Widerstand hinzufügen, um dieses Phänomen zu berücksichtigen? Ist die Gesamtenergie/Hamiltonian in diesem Fall äquivalent zu F und der Grund, warum sie nicht erhalten bleibt, ist, dass wir nicht alle DOFs berücksichtigen können?
Kommen wir zurück zum Beispiel Wasser und Honig: Wenn wir es auf molekularer Ebene simulieren, brauchen wir solche Begriffe nicht und die Viskosität sollte sich von selbst ergeben. Natürlich sollte Honig langsamer fließen. Was ist dann ein Maß für Dämpfung/Energiedissipation? Ist es die Entropie oder die kinetische Energie? Denn was das Auge wahrnimmt, sind langsamere Geschwindigkeiten - impliziert dies, dass Honig mit weniger kinetischer Energie fließt als Wasser? Aber wenn die Temperatur der durchschnittlichen kinetischen Energie entspricht, sollte sich die Viskosität nicht irgendwie in T widerspiegeln?
Wenn Sie eine Simulation auf mikroskopischer Ebene durchführen, gibt es keine Reibung und alles sollte aus dem mikroskopischen DOF hervorgehen. Die Gesamtenergie ist U , So ⟨ H ⟩ = U . Es gibt einfach zu viele von ihnen, um eine makroskopische Simulation durchzuführen. Die Navier-Stokes-Gleichung ist eine effektive / phänomenologische Sache, die den relevanten DOF des Systems beschreibt. Ein Maß für die Dissipation bei relevanten DOFs sollte die Erhöhung von sein S .

Ein Teil der Antwort ist, dass bei niedriger Reynolds-Zahl in stromlinienförmiger Strömung wenig oder gar kein Luftwiderstand vorhanden ist. Bei höheren Geschwindigkeiten erzeugt der Nachlauf eines sich bewegenden Objekts jedoch Wirbel (und dies auf zufällige Weise, es tritt eine spontane Symmetriebrechung auf). Diese zufälligen Wirbel verursachen eine Geschwindigkeitsquadrat-Verzögerungskraft, die Energie verliert, unabhängig davon, ob Ihre Bewegung nördlich oder südlich ist ... es ist definitiv ein nicht konservatives Kraftfeld. Der Luftwiderstand kann durch einige Formen verringert werden, die Wirbel abwerfen (damit der Wirbel nicht auf das sich bewegende Objekt auftrifft).

In jedem Fall zerfallen Wirbel in einer Flüssigkeit zu thermischer Energie. Das Wasser an der Basis der Niagarafälle ist etwas wärmer als das Wasser an der Spitze, sodass die Energie nicht nur an festen Wänden verloren geht.

Das ist interessant: Wirbel verursachen Widerstand. Ich werde mehr darauf eingehen. Sie sagen auch, dass der Energieabfall in der thermischen Energie, dh Temperaturerhöhung, zu finden ist, während Martin sagte, dass es nur in der Entropie liegt. Ich werde mehr darüber nachdenken. Trotzdem danke!
Es gibt Entropie in der spontanen Symmetriebrechung; das ist ein Teil der Thermalisierung. Das entropische Mischen von Sahne in Kaffee beginnt in ähnlicher Weise mit der Wirbelbildung um den sich bewegenden Löffel ...
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