ВАРИАЦИОННАЯ ФОРМУЛИРОВКА ГРАДИЕНТНОЙ НЕОБРАТИМОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Аннотация


Предложено развитие вариационного принципа Л.И. Седова для моделирова-ния диссипативных процессов. Сформулированный вариационный принцип дает возможность по известной модели обратимого процесса (известному лагранжиа-ну) строить диссипативные модели, добавляя необходимое количество каналов диссипации. Каналами диссипации названы неинтегрируемые вариационные формы, линейные по вариациям аргументов. Аргументами каналов диссипации являются обобщенные переменные соответствующих билинейных слагаемых ла-гранжиана. В качестве примеров рассматриваются вариационные модели процес-сов теплообмена. В работе вводится термический потенциал, который принимает-ся за основную «кинематическую» переменную. Температура и тепловой поток определяются из выражения возможной работы, совершаемой на вариациях пер-вых производных от термического потенциала по аналогии с механикой сплошных сред, где внутренние усилия совершают возможную работу на вариациях дефор-маций. Уравнения законов теплопроводности рассматриваемых моделей тепло-обмена получены как уравнения совместности путем исключения термического потенциала из уравнений определяющих соотношений для температуры и тепло-вого потока. Показано, что предлагаемая процедура построения диссипативных моделей позволяет получить законы теплопроводности Фурье, Максвелла – Кат-танео, Гаера – Крумхаксля, Джеффри и более общие законы теплопроводности. Для наиболее простой модели теплообмена введен единственный канал диссипа-ции, который позволил получить уравнение теплообмена, содержащее вторые и первые производные по времени. Эта модель учитывает волновые свойства и дис-сипацию по диффузионному механизму. В частном случае она редуцируется к классической модели теплопроводности. Для более общих градиентных моделей теплообмена вводятся последовательно дополнительные каналы диссипации. В соответствии с дифференциальным порядком уравнения баланса тепла, вариаци-онный метод позволяет формулировать согласованный спектр граничных условий в каждой неособенной точке поверхности. Кроме того, для краевой задачи по вре-мени вариационный принцип определяет пары альтернативных условий в начальном и конечном моментах времени рассматриваемого процесса.

Об авторах

П. А. Белов

Институт прикладной механики Российской академии наук, Москва, Российская Федерация

С. А. Лурье

Институт прикладной механики Российской академии наук, Москва, Российская Федерация

Список литературы

  1. Седов Л.И. Об основных принципах механики сплошной среды. – М.: Изд-во МГУ, 1961. – 26 с.
  2. Седов Л.И. Об основных концепциях механики сплошной среды // Некоторые проблемы математики и механики. – 1961. – С. 227–235.
  3. Седов Л.И., Эглит М.Э. Построение неголономных моде-лей сплошных сред с учетом конечности деформаций и не-которых физико-химических эффектов // Докл. АН СССР. – 1962. – Т. 142, № 1. – С. 54–59.
  4. Бердичевский В.Л. Построение моделей сплошных сред при помощи вариационного принципа // ПММ. – 1966. – Т. 30. – Вып. 3. – С. 510–530.
  5. Бердичевский В.Л. Вариационные методы построения мо-делей сплошных сред с необратимыми процессами в спе-циальной теории относительности // ПММ. – 1966. – Т. 30. – Вып. 6. – С. 1081–1086.
  6. Лурье С.А., Белов П.А. Вариационная модель неголоном-ных сред // Механика композиционных материалов и кон-струкций. – 2001. – Т. 7, № 2. – С. 436–444.
  7. Белов П.А., Горшков А.Г., Лурье С.А. Вариационная мо-дель неголономных 4D-сред // Механика твердого тела. – 2006. – № 6. – С. 41–58.
  8. Lurie S.A., Belov P.A., Volkov-Bogorodskii D.B. Variational models of coupled gradient thermoelasticity and thermal con-ductivity // Mater. Phys. Mech. – 2019. – № 42. – Р. 564–581.
  9. Lurie S., Belov P. From generalized theories of media with fields of defects to closed variational models of the coupled gradient thermoelasticity and thermal conductivity // In Higher Gradient Materials and Related Generalized Continua / Eds.: Altenbach, H., Muller, W.H., Abali, B.E. – Springer: Cham, Switzerland. – 2019. – Vol. 11. – Р. 135–154.
  10. Lurie S.A., Belov P.A. On the nature of the relaxation time, the Maxwell-Cattaneo and Fourier law in the thermodynamics of a continuous medium, and the scale effects in thermal conductivi-ty // Continuum. Mech. Thermodyn. – 2020. – № 32. – Р. 709–728.
  11. Sellitto A., Cimmelli V.A., Jou D. Mesoscopic Theories of Heat Transport in Nanosystems. – S.: Springer International Publishing Switzerland – 2016. – 170 p.
  12. Zhukovsky K.V., Srivastava H.M. Analytical solutions for heat diffusion beyond Fourier law // Appl. Math. Comput. – 2017. – Vol. 293. – P. 423–437.
  13. Sobolev S.L. Nonlocal two-temperature model: application to heat transport in metals irradiated by ultrashort laser pulses // Int. J. Heat Mass Tran. – 2016. – Vol. 94. – P. 138–144.
  14. Maxwell J.C. On the Dynamical Theory of Gases // Philosoph-ical Transactions of the Royal Society of London. – 1867. – Vol. 157. – P. 49–88.
  15. Cattaneo C. Sulla Condizione Del Calore // Atti Del Semin. Matem. E Fis. Della Univ. Modena. – 1948. – Vol. 3. – P. 83–101.
  16. Vernotte M.P. La véritableéquation de chaleur // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences. – 1958. – Vol. 247. – P. 2103–2105.
  17. Vernotte M.P. Les paradoxes de la théorie continue de léqua-tion de la chaleur // C.R. Hebd. Seances Acad. Sci. – 1958. – Vol. 246, no. 22. – P. 3154–3155.
  18. Joseph D.D. Preziosi L. Heat waves. Reviews of modern physics // Rev. Mod. Phys. – 1989. – Vol. 61. – P. 41–73.
  19. Sobolev S.L. Hyperbolic heat conduction, effective tempera-ture, and third law for nonequilibrium systems with heat flux // Physical review. – 2018. – Vol. E 97. – P. 022122.
  20. Kovács R., Fehér A., Sobolev S. On the two-temperature de-scription of heterogeneous materials // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2022. – Vol. 194. – P. 123021.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 39

PDF (Russian) - 62

Cited-By


PlumX


© Белов П.А., Лурье С.А., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах