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揺らぐ境界の操作論による非平衡統計熱力学の定式化

研究課題

研究課題/領域番号 14J02906
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 数理物理・物性基礎(理論)
研究機関京都大学

研究代表者

佐野 友彦  京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2014-04-25 – 2016-03-31
研究課題ステータス 完了 (2015年度)
配分額 *注記
2,100千円 (直接経費: 2,100千円)
2015年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2014年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワード非平衡統計力学 / 最大パワー効率 / 熱力学 / 粉体気体 / 熱伝導 / 非熱的揺らぎ / 揺らぐ境界 / 固体摩擦
研究実績の概要

まず粉体気体の速度分布の間接測定法を分子動力学計算により検討した。粉体の速度分布は熱的な系と異なり分布の非ガウス性が重要になる。粉体気体中に回転子をいれてその速度を観察する事を考える。回転軸と強く摩擦する回転子の速度分布関数と粉体気体の速度分布関数が1対1対応する事を1年目に報告したが、今年度は測定公式の実験可能な状況での検証を行った。鉛直加振した直方体容器に稀薄な粉体気体を用意しその中に回転子を入れた系の分子動力学計算(MD)を行い、回転子の角速度分布関数に測定公式を適用したところ、回転子の周囲の粉体気体の速度分布関数を再現する事がわかった。この事から粉体ローターは粉体気体の速度分布を間接的に推定する道具として有用である事がわかった。

次にマクロな揺らぐ熱機関の効率を計算する事を念頭におき採用1年目に導入した確率平均場模型(SMF)に有限濃度効果を取り込み、SMFを有限濃度の剛体球気体に適用できるように拡張した。SMFは気体が稀薄で空間一様かつ理想気体の状態方程式を仮定している。気体の密度が比較的高い場合、SMFの結果はMDの結果を再現しない。これは熱浴の温度を急激に変化させた際に剛体球気体粒子同士が衝突する熱伝導の効果を取り込んでいないことに起因する。そこで気体の速度分布関数に熱伝導の効果を取り入れたものを用いてSMFを拡張した。拡張したSMFはMDで測定した温度変化と最大パワー効率を定量的に再現した。更に熱伝導の効果はサイクルの温度差が小さい場合でも残り、効率はChambadal-Novikov-Curzon-Ahlborn(CNCA)効率より下がる事がわかった。CNCA効率の達成条件はオンサーガー行列のタイトカップリング条件であるが、私が研究を行った熱サイクルでは、熱伝導によりタイトカップリング条件を達成できない事をオンサーガー行列を陽に導出する事で発見した。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2015 実績報告書
  • 2014 実績報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 6件、 謝辞記載あり 5件) 学会発表 (12件)

  • [国際共同研究] CNR-ISC, Sapienza university(Italy)

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [国際共同研究] Queen Mary University of London(英国)

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [雑誌論文] Asymptotic Derivation of Langevin-like Equation with Non-Gaussian Noise and Its Analytical Solution2015

    • 著者名/発表者名
      Kiyoshi Kanazawa, Tomohiko G. Sano, Takahiro Sagawa, and Hisao Hayakawa
    • 雑誌名

      Journal of Statistical Physics

      巻: 160 号: 5 ページ: 1294-1335

    • DOI

      10.1007/s10955-015-1286-x

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Granular rotor as a probe for a non-equilibrium bath2015

    • 著者名/発表者名
      T. G. Sano, K. Kanazawa and H. Hayakawa
    • 雑誌名

      arXiv:1511.08594

      巻: 1511.08594 ページ: 1-12

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Efficiency at maximum power output for an engine with a passive piston2015

    • 著者名/発表者名
      T. G. Sano and H. Hayakawa
    • 雑誌名

      arXiv: 1412.4468v2

      巻: 1412.4468v2 ページ: 1-13

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Minimal Model of Stochastic Athermal Systems: Origin of Non-Gaussian Noise2015

    • 著者名/発表者名
      K. Kanazawa, T.G. Sano, T. Sagawa, H. Hayakawa
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 114 号: 9 ページ: 090601-090606

    • DOI

      10.1103/physrevlett.114.090601

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Stochastic Mean Field Model of Heat Engine partitioned by Fluctuating Piston2014

    • 著者名/発表者名
      T. G. Sano and H. Hayakawa
    • 雑誌名

      arXiv

      巻: 1412 ページ: 4468-4468

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Asymptotic derivation of Langevin-like equation with non-Gaussian noise and its analytical solution2014

    • 著者名/発表者名
      K. Kanazawa, T.G. Sano, T. Sagawa and H. Hayakawa
    • 雑誌名

      arXiv

      巻: 1412 ページ: 2233-2233

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Non-equilibrium fluctuating motion of piston as a rectifier: From adiabatic piston to fluctuating engine2015

    • 著者名/発表者名
      Tomohiko Sano
    • 学会等名
      Seminar
    • 発表場所
      Queen Mary University of London
    • 年月日
      2015-10-01
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 有限濃度剛体球気体の非平衡エンジン2015

    • 著者名/発表者名
      佐野友彦
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
    • 発表場所
      関西大学
    • 年月日
      2015-09-16
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 摩擦下粉体ローター再論-非平衡プローブとしての役割-2015

    • 著者名/発表者名
      佐野友彦
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
    • 発表場所
      関西大学
    • 年月日
      2015-09-16
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Frictional Granular Rotor as a Probe for Non-equilibrium Baths2015

    • 著者名/発表者名
      Tomohiko Sano
    • 学会等名
      International Meeting on Friction -from atomic to geophysical scales-
    • 発表場所
      東京大学地震研究所
    • 年月日
      2015-09-14
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 摩擦下粉体ローター再論: 非平衡プローブ としての役割2015

    • 著者名/発表者名
      Tomohiko Sano
    • 学会等名
      粉体研究会
    • 発表場所
      東京大学地震研究所
    • 年月日
      2015-07-29
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Stochastic Mean Field Model of Heat Engine partitioned by Fluctuating Piston2015

    • 著者名/発表者名
      佐野友彦
    • 学会等名
      New Frontiers in Non-equilibrium Physics 2015
    • 発表場所
      京都大学基礎物理学研究所
    • 年月日
      2015-07-21
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Dynamics of Granular Rotor Revisited: Roles of a frictional rotator as a non-equilibrium probe2015

    • 著者名/発表者名
      Tomohiko Sano
    • 学会等名
      研究室セミナー
    • 発表場所
      Okinawa Institute of Science and Technology
    • 年月日
      2015-04-21
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 揺らぐ境界で仕切られた熱機関の確率平均場モデル2015

    • 著者名/発表者名
      佐野友彦, 早川尚男
    • 学会等名
      日本物理学会年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学
    • 年月日
      2015-03-21 – 2015-03-24
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Stochastic Mean Field Model of Heat Engine partitioned by Fluctuating Piston2015

    • 著者名/発表者名
      Tomohiko Sano, Hisao Hayakawa
    • 学会等名
      Physics of Structural and Dynamical Hierarchy in Soft Matter
    • 発表場所
      東京大学生産技術研究所
    • 年月日
      2015-03-16 – 2015-03-18
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Stochastic Mean Field Model of Heat Engine partitioned by Fluctuating Piston2015

    • 著者名/発表者名
      Tomohiko Sano
    • 学会等名
      Kyoto Winter School for Statistical Mechanics
    • 発表場所
      京都大学基礎物理学研究所
    • 年月日
      2015-02-04 – 2015-02-17
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 断熱ピストン問題と揺らぐ熱機関の平均場モデル2014

    • 著者名/発表者名
      佐野友彦
    • 学会等名
      立命館大学和田研セミナー
    • 発表場所
      立命館大学
    • 年月日
      2014-11-14
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 粉体ローター: 粉体の非熱的揺らぎをローターの挙動から逆推定できるか?2014

    • 著者名/発表者名
      佐野友彦, 金澤輝代士, 沙川貴大, 早川尚男
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
    • 発表場所
      中部大学
    • 年月日
      2014-09-07 – 2014-09-10
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書

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公開日: 2015-01-22   更新日: 2024-03-26  

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