2018 Fiscal Year Research-status Report
Development and Application of Rational Extended Thermodynamics of Dense Gases and Liquids
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18K13471
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| Research Institution | Tomakomai National College of Technology |
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Principal Investigator |
有馬 隆司 苫小牧工業高等専門学校, 創造工学科, 准教授 (80735069)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 拡張された熱力学 / 実在気体 / 非平衡熱力学 / 分子内部自由度緩和 / 非平衡圧力 / 非平衡温度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は、気体や液体中の非平衡現象を包括的に記述可能な非平衡熱力学の構築とそれを用いた非平衡現象にみられる普遍性の解明である。本年度は、研究課題の基礎となる「気体・液体を包括的に記述可能な拡張された熱力学理論の構築」について研究を行った。得られた成果を以下に示す。
(1) 実在気体における非平衡圧力の導出に成功した。つまり、非平衡圧力の起源として、希薄気体でも現れる気体分子内部エネルギー交換過程だけではなく、実在気体特有の並進エネルギーと分子間ポテンシャルエネルギーとのエネルギー交換過程を考慮し、拡張された熱力学の構成理論を適用することで、その熱力学関係式を導出した。さらに、非平衡エントロピーとそれに対応する非平衡温度を、希薄気体のものからの自然な拡張として導入し、この関係式に用いることで、非平衡圧力の具体的表式が得られた。
(2) (1)の結果をもとに、内部エネルギー緩和に基づく実在気体のダイナミクスを記述する拡張された熱力学を構築した。新しい理論の特徴的な点として、非平衡圧力のメカニズムが異なる多原子分子実在気体、単原子分子実在気体、多原子分子希薄気体を統一的に扱うことが出来る。また、内部変数を用いた非平衡熱力学理論などとは異なり、各種内部エネルギーの緩和時間以外の未知係数を含まない。本成果は、現在、論文投稿の準備中である。
(3) 内部エネルギー緩和に加えて粘性・熱伝導も記述可能な理論について、多原子分子希薄気体を対象とした超音波伝播の解析を行った。内部自由度励起に伴って、音波吸収の特徴的なピークが各種緩和時間に対応する振動数領域で現れる様子を明らかにした。この成果は論文として公表している。また、この解析をもとにした実在気体中の超音波解析も進んでいる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の予定よりやや遅れてはいるが、計画以上に物理的に重要な進展を得ることに成功しているため、おおむね順調に進展していると評価した。具体的には以下の状況にある。
まず、当初は、多原子分子実在気体を対象として、高次の散逸的物理量である粘性や熱伝導も考慮したNavier-Stokes-Fourier理論の拡張となる理論構築を目指していた。研究の進展に伴い、分子内部自由度緩和のより本質的なダイナミクスを捉えることが出来、さらに、これまで困難であった単原子分子実在気体も含んだ理論構築の可能性が発見できたので、この理論の構築を優先した。粘性・熱伝導を考慮した理論は、新しく構築した理論を基にすることで、より広い範囲の実在気体に適用可能な形で提案できる。そのため、この理論の構築は、次年度以降の課題とする。
また、次年度に予定されていた波動伝播への応用のうち、超音波伝播の解析準備が既に進んでいる。体積粘性が大きな気体に対し、新しく構築した理論を用いることで、実在気体中の音波緩和の振動数依存性を示すことが出来ている。
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| Strategy for Future Research Activity |
「研究実績の概要」で述べた実在気体の拡張された熱力学理論の特性を明らかにする。Maxwellの逐次近似法を用いることで、体積粘性率の導出を行い、実在気体効果由来の体積粘性と回転・振動といった分子内部自由度由来の体積粘性がどのような関係で現れるのかを調べる。理論の展開として、現在進めている実在気体中を伝播する超音波の解析を整理し、実験結果と比較することで、理論の有用性を示す。また、衝撃波伝播の解析を行い、波面構造と内部エネルギー緩和の関係を調べる。これらの解析では、各自由度のエネルギー緩和に伴う複数の緩和時間依存性を明らかにしていく。
これと同時並行で、内部エネルギー緩和に加えて粘性・熱伝導も記述する実在気体理論の導出を行う。具体的には、新しく提案するにおいて、運動量流束と各自由度のエネルギー流束の時間発展方程式を導出する。特に、各自由度のエネルギー流束がエネルギー交換過程に及ぼす影響を明確にする。
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