THERMODYNAMIC GENERALIZATION OF THE THEORY OF THERMOELASTIC DIFFUSION FOR A MEDIUM WITH CHANGING DENSITY
- Authors: Knyazeva А.G1
- Affiliations:
- Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russion Federation
- Issue: No 3 (2025)
- Pages: 101-113
- Section: ARTICLES
- URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/4657
- DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2025.3.09
- Cite item
Abstract
The theory of thermoelastic diffusion describes the interaction between temperature and concentration fields in deformable solids. Most of the known works devoted to the theory of thermoelastic diffusion are constructed by analogy with the theory of elasticity, including generalizations to media with relaxation of heat and mass. In this case, even when taking into account the dependences of properties on temperature and composition, the authors use linear constitutive relations linking the state parameters and physical variables that follow from thermodynamics in the approximation of constant density of the medium. This paper presents a generalization of the basic equations of the theory of thermoelastic diffusion for a medium whose density depends on the main state variables. This is taken into account when deriving the constitutive relations. The result leads to the system of generalized state equations in differential form, the coefficient matrix of which for the variable density loses symmetry. The derivation of relations is based on both the use of the Helmholtz potential and the use of the Gibbs energy as a potential. New mechanisms of heat and mass transfer are discovered. For example, the transfer of a component under the action of a deformation gradient is possible due to two "mechanisms". The first of them is connected with the difference in individual properties of the components (their molar volumes, through which the coefficients of concentration expansion are calculated). The second mechanism of transfer can be called the work of stresses along the deformation gradients. Moreover, in the case of an isotropic body, not only the invariants of the stress and deformation tensors but also their shear components participate in the interaction of fields of different nature. The equations obtained in different ways are outwardly different. However, in any case, they contain all the discovered interaction mechanisms. As in classical theories, the equivalence of the equations can be shown using the standard apparatus of thermodynamics of irreversible processes. In limiting cases, the formulas coincide with those obtained earlier.
Full Text
Под теорией термоупругой диффузии, которая привлекает внимание многих исследователей, понимают теорию, которая описывает взаимодействие между температурными полями и полями концентрации в деформируемых твердых телах, а также взаимное влияние всех этих полей друг на друга. Эта теория активно развивается, начиная с работ Лорда и Шульмана [1], Новацкого [2], Шермергора [3], Подстригача [4], Любова и Фастова [5,6] и др. В настоящее время существуют разнообразные обобщения классических теорий для сред с релаксацией тепла и массы [7,8]; для анизотропных сред [9]; для сред с включениями [10]; для микрополярных сред [11]; для вязкоупругих сред [12,13]; для пористых тел [14 ];, для сред при наличии электрических и магнитных полей [15,16], В работе [17] законы Фурье и Фика в модели термоупругой диффузии были модифицированы до включения производных по времени более высокого порядка от теплового потока, градиента температуры, потока компонента и градиента химического потенциала. В статье [18] исследуются задачи обобщенной теории термоупругой диффузии в рамках расширенной термодинамики с производными дробного порядка. В статье [19] теория термоупругой диффузии с дробными производными применяется для исследования поведения ламинированного композита при осесимметричной нагрузке. Развиваются аналитические и численные методы решения частных задач как в линеаризованной [20-25], так и в нелинейной [26-30] постановках. Тем не менее, в этой теории остаются вопросы, требующие специального обсуждения. Цель настоящей работы состоит в том, чтобы выяснить роль сдвиговых компонент тензоров напряжений и деформаций во взаимодействии с полями температуры и концентраций, основываясь на методах термодинамики необратимых процессов. Оказалось, что для этого требуется лишь отказаться от приближения неизменной плотности среды в уравнения термодинамики.
About the authors
А. G Knyazeva
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russion Federation
Author for correspondence.
Email: anna-knyazeva@mail.ru
References
- Lord H., Shulman Y. A generalized dynamical theory of thermoelasticity, // Journal of The Mechanics and Physics of Solids. –1967. – Vol. 15. – pp. 299-309. https://doi.org/10.1016/0022-5096(67)90024-
- Nowacki W. Dynamical problems of thermodiffusion in solids I / W. Nowacki // Bulletin of the Polish Academy of Sciences - Technical Sciences. – 1974. – V. 22. – pp. 55-64.
- Darinskii B.M., Shermergor, T.D. On the theory of diffusion relaxation in polycrystals // J Appl Mech Tech Phys. 1965. – No 6. — pp. 54–57. https://doi.org/10.1007/BF0091338
- Podstrigach, Y.S. Diffusion theory of the inelasticity of metals // J Appl Mech Tech Phys. 1965. No2. P. 56–60. https://doi.org/10.1007/BF0091561
- Любов Б.Я., Фастов Н.С. Влияние концентрационных напряжений на процессы диффузии в твердых растворах// ДАН СССР.1952. — Т. 84, Вып. 5. — С. 939-941.
- Фастов Н. С. К термодинамике необратимых процессов в упруго-деформированных средах // Проблемы металловедения и физики металлов. - М.: Металлургиздат, 1958. – No 5. С. 550–576
- Sherief H.H., Hamza F., Saleh H. The theory of generalized thermoelastic diffusion p // International Journal of Engineering Science. – 2004. – Vol. 42. – pp. 591-608. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2003.05.0
- Paul K., Mukhopadhyay B. A novel mathematical model on generalized thermoelastic diffusion theory // Journal of Thermal Stresses. — 2023. V. 46, Is.4. — pp. 253-275. https://doi.org/10.1080/01495739.2023.217638
- Aouadi M. Generalized theory of thermoelastic diffusion for anisotropic media p // Journal of Thermal Stresses. – 2008. – V. 31, No 3. – pp. 270-285. https://doi.org/10.1080/0149573070187674
- Singh B. On theory of generalized thermoelastic solids with voids and diffusion // European Journal of Mechanics A/Solids. — 2011. — V.30. — pp. 976-982. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2011.06.007
- Aouadi M. The coupled theory of micropolar thermoelastic diffusion // Acta Mech. — 2009. — .V. 208, No 3. — pp.:181-203. https://doi.org/10.1007/s00707-008-0137-
- Copetti M.I.M., Aouadi M.A quasi-static contact problem in thermoviscoelastic diffusion theory // Applied Numerical Mathematics. — 2016. — V. 109. — pp. 157–183. http://dx.doi.org/10.1016/j.apnum.2016.06.01
- Kaspar L., and Anand L. A Chemo-Thermo-Mechanically Coupled Theory for Elastic–viscoplastic Deformation, Diffusion, and Volumetric Swelling Due to a Chemical Reaction // International Journal of Plasticity. —2011. — V. 27, No. 9. — pp. 1409-143. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijplas.2011.04.001
- Kansal T. Generalized theory of thermoelastic diffusion with double porosity // Arch. Mech., 2018. — V. 70, No 3. — pp.241–268
- Abou-Dina M.S., El Dhab A.R., Ghale A.F., Rawy E.K. A model of nonlinear thermo-electroelasticity in extended thermodynamics // International Journal of Engineering Science. — 2017. — V. 119. — pp. 29–39. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijengsci.2017.06.01
- Abo-Dahab S.M., Abd-Alla A.M., Kilany A.A.Electromagnetic field in fiber-reinforced micropolar thermoelastic medium using four models // Journal of Ocean Engineering and Science. —2020. — V. 5. — pp. 230–248. https://doi.org/10.1016/j.joes.2019.12.003
- Abouelregal A.E. Generalized mathematical novel model of thermoelastic diffusion with four phase lags and higher-order time derivative // Eur. Phys. J. Plus. — 2020. – V. 135. — article number 263. https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-020-00282-
- Guo Ch.L.H., Tian X., He T. eneralized thermoelastic diffusion problems with fractional order strain // European Journal of Mechanics / A Solids. —.2019. — V. 78. . — Article number 103827. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2019.10382
- Li Ch., Liu J., He T., Fractional-order rate-dependent thermoelastic diffusion theory based on new definitions of fractional derivatives with non-singular kernels and the associated structural transient dynamic responses analysis of sandwich-like composite laminates, // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. —2024. - V. 132. — Article number 107896. https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2024.10789
- Aouadi M., Copetti M.I.M. A dynamic contact problem for a thermoelastic diffusion beam with the rotational inertia // AppliedNumericalMathematics. — 2018. — V. 126. — pp. 113–137. https://doi.org/10.1016/j.apnum.2017.12.00
- He T., Li Ch., Shi Sh., Ma Yo. A two-dimensional generalized thermoelastic diffusion problem for a half-space // European Journal of Mechanics A/Solids. — 2015. V. 52. — pp. 37-43. http://dx.doi.org/10.1016/j.euromechsol.2015.01.00
- Miglani A., Kaushal S. Wave Propagation in Micropolar Thermoelastic Diffusion Medium // Journal of Solid Mechanics. — 2012. — V. 4, No. 2. — pp. 195-208.
- Yadav A.K. Thermoelastic waves in a fractional-order initially stressed micropolar diffusive porous medium // Journal of Ocean Engineering and Science. — 2021. — V. 6. — pp. 376–388. https://doi.org/10.1016/j.joes.2021.04.00
- Davydov S.A., Zemskov A.V. Thermoelastic diffusion phase-lag model for a layer with internal heat and mass sources // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2022. – V. 183., Part C. – Article number 122213. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.12221
- Зверев Н.А., Земсков А.В. Моделирование нестационарных механодиффузионных процессов в полом цилиндре с учетом релаксации диффузионных потоков // Математическое моделирование. – 2023. – Т. 35, № 1. – С. 95-112. doi: 10.20948/mm-2023-01-0
- Li Ch., Guo H., Tian X., He T. Time-domain finite element method to generalized diffusion-elasticity problems with the concentration-dependent elastic constants and the diffusivity // Applied Mathematical Modelling. —.2020. —.V. 87. — pp. 55–76. https://doi.org/10.1016/j.apm.2020.05.00
- Madureira R.L.R., A. Rincon M.A., Aouadi M. Numerical analysis for a thermoelastic diffusion problem in moving boundary // Mathematics and Computers in Simulation. — 2021. — V. 187. — pp. 630–655. https://doi.org/10.1016/j.matcom.2021.03.03
- Mahmoud W.,·Ghale A.F., Rawy E. K., Hassan H.A.Z., Mosharaf A.A. Numerical solution to a nonlinear, one-dimensional problem of anisotropic thermoelasticity with volume force and heat supply in a half-space: interaction of displacements // Arch Appl Mech. — 2015. — V. 85. — pp. 433–454. https://doi.org/10.1007/s00419-014-0921-
- Parfenova E.S., Knyazeva A.G. The chemical interaction charged particles with target material under surface treatment of metal with particle beam // Zeitschrift fur angewandte mathematik und mechanics. – 2022. –V. 102, No 8. – Article number e202200083. https://doi.org/10.1002/zamm.20220008
- Parfenova E.S., Knyazeva A.G. Surface treatment of metal by combined particle beam // International Journal of Engineering Science. — 2024. — V. 205. — Article number 104150. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2024.10415
- Kondepudi D., Prigogine I. Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures. — Wiley: Chichester, UK, 1998. — 486pp
- Gyarmati I. Non-equilibrium Thermodynamics: Field Theory and Variational Principles. — Springer: Berlin, Heidelberg, 1970. — 184 pp
- Князева А.Г. Введение в термодинамику необратимых процессов. Томск: Иван Федоров, 2014. – 172 c
- Новацкий В. Теория упругости (перевод с польского. — М.: Мир., 1975. — 72 c
- Коваленко А.Д. Введение в термоупругость. — Киев: Наукова думка, 1965. — 202 c
- Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. — М.: Наука, 1977. – 400 c
- Свелин Р.А. Термодинамика твердого состояния. — М.: Металлургия, 1968. — 316 c.
- Гуров К.П., Карташкин Б.А., Угасте Ю.Э. Взаимная диффузия в многофазных системахю — М.: Наука, 1981. – 350 с.
- Еремеев В.С. Диффузия и напряжения. — М.: Энергоатомиздат, 1984. – 180 с.
- Князева А.Г., Демидов В.Н. Коэффициенты переноса для трехкомпонентного деформируемого сплава // Вестник ПермГТУ, Механика. — 2011. — № 3. — С.84-99.
- Povstenko Y.Z. From the Chemical Potential Tensor and Concentration Tensor to Nonlocal Continuum Theories // J. of Math. Sci. — 2020. — V. 249. — pp. 389–403. https://doi.org/10.1007/s10958-020-04949-
- Knyazeva A.G., Generalizations of the Clapeyron-Clausius equation in a coupled thermomechanical model // J. of Applied mechanics and technical Physics. — 1999. — V. 40, № 6. – pp.103-111 https://doi.org/10.1007/BF0246917