2021 Fiscal Year Research-status Report
熱力学関数の操作的拡張にもとづく非平衡構造形成の記述
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19K03647
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
中川 尚子 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (60311586)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 大域熱力学 / エントロピー原理 / 混合自由エネルギー / 気液転移 / 非平衡定常状態 / ギブスパラドックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 非平衡定常状態を記述する枠組みとして大域熱力学を提案し、特に熱伝導下気液共存状態についての定常状態予測などを行っている。熱伝導下においた粒子系を、定圧設定、定積設定、系に流れ込む熱流量と流れ出す熱流量を等量としたエネルギー保存設定で考察し、それぞれの設定における変分原理が導き出す定常状態が一致していること、熱力学関係式はルジャンドル変換で結ばれていることを見出した。これにより大域熱力学をより強固な体系となった。成果は査読付き英語論文誌に投稿中である。また大域熱力学について２回の招待講演を行った。
(2) 微小サイズ二成分溶液の混合自由エネルギー決定公式を、Jarzynski等式と情報熱力学を利用して導いた。この式を得るために、半透膜を利用して徐々に二つの純物質を混合する過程と、数値実験でのみ実現可能な混合物創出過程である錬金術的操作について、純物質と混合物の自由エネルギー差を分子動力学計算で実測し、２種類の比較検討から有限サイズ系の自由エネルギーにはギブスが提唱したN!因子が必要であることを実証した。アルゴン＝クリプトン混合物に混合自由エネルギー決定公式を適用し、わずか500粒子でも混合自由エネルギーに気液転移の特徴が表れることを示した。日本物理学会で発表を行い、また査読付き英文誌に掲載決定している。
(3) 二次元レナード=ジョーンズ粒子系の分子動力学計算により熱伝導下気液共存系の界面付近の様子を観察した。平衡条件で気液の配置や界面位置が安定しない場合でも、熱流印加により界面位置が安定させることができた。温度プロファイルと密度プロファイルを決定し、気液界面の気体側数粒子分の領域に熱伝導率が優位に小さくなる領域があることを確認した。また界面位置の安定の有無により気液共存状態での圧力値が大きく変わることを見つけた。結果は日本物理学会にて発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本計画の目標である非平衡熱力学関数と変分関数について詳細にわたる検討を行えた。重要知見を網羅した論文を執筆でき、より広い非平衡現象に対象を広げる準備を整えられたことが大きな理由である。混合自由エネルギーを決定するためのJarzynski型公式の定式化の成功により、研究対象をより現実的な幅広いものにすることが可能になってきた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究計画の主要成果を報告する論文が掲載決定となるように力を尽くし、本研究計画の達成を目指す。同時に、大域熱力学の枠組みがより幅広い系に適用可能となるべく、粒子流のある熱伝導系や外場がかかった熱伝導系の相分離現象についての新しい試みを行う。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍により出張を伴う業務ができないことが主な理由である。最終年度の論文出版に係る経費、延期していた出張の遂行が可能となった場合の旅費に使用する予定である。
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Research Products
(9 results)
