¿Cómo la viscosidad causa la disipación? [cerrado]

No soy físico, así que tengan paciencia conmigo. Estoy tratando de entender el mecanismo a través del cual se disipa la energía en un fluido o sólido. A menudo, la explicación es que sucede debido a la viscosidad o la fricción y que se deben agregar fuerzas dependientes de la velocidad que reducen la energía total. Sin embargo, a nivel molecular y termodinámico, la energía debe conservarse. Necesito entender mejor la naturaleza del calor disipado y hacia dónde va.

Esta pregunta ¿Cómo se describe la viscosidad a nivel molecular? me dio algunas buenas ideas, pero todavía estoy desconcertado por algunas cosas. Tomemos un escenario de moléculas que interactúan a través de potenciales de Lennard-Jones y dejemos que caigan bajo la gravedad (o incluso en cero g). En el mundo real, este grupo de partículas siempre alcanzará el equilibrio, es decir, velocidad y energía cinética cero en relación con su marco de inercia. Los materiales altamente viscosos simplemente lo harán más rápido. Según tengo entendido, esto se debe a que la energía se transforma en calor, aunque por energía nos referimos aquí a energía realmente "útil", que no estoy seguro de lo que significa.

Mi pregunta es: ¿ qué sucede con la energía del flujo en un fluido viscoso (a nivel molecular)? ¿Se transforma en aumento de temperatura, aumento de entropía, energía cinética de grados de libertad ocultos, energía potencial almacenada, disipación de calor en el medio ambiente o algo más?

Los efectos disipativos introducen irreversibilidad y aumentan el orden de las derivadas (en las ecuaciones de movimiento) en un número impar (de las derivadas de primer orden), por lo que la viscosidad se asocia con una derivada de segundo orden. Tengo más detalles en http://physics.stackexchange.com/a/139436/59023 .
Voto para cerrar esta pregunta porque hace demasiadas preguntas que cubren un tema amplio. Este sitio no reemplaza el estudio de un libro de texto o equivalente, ni la contratación de un tutor o maestro. Hay muchos otros recursos para aprender sobre la viscosidad además de la pregunta vinculada.
Creo que esto fue simplemente malo. Pensé que este era exactamente el propósito de este sitio. Estás haciendo un gran trabajo al bloquear el acceso al conocimiento. En cambio, podrías haberme señalado un libro de texto. Agradezco a los demás que respondieron. ¿No crees que si tuviera un tutor no estaría preguntando aquí? No se preocupe usted y los demás: no reformularé y no volveré a preguntar nada en este sitio.
@honeste_vivere: ahora puedo ver por qué aumenta la entropía y, por lo tanto, la irreversibilidad, pero tendré que observar más de cerca sus matemáticas para comprender correctamente la parte con el orden derivado. ¡Gracias!
@zetzar: la solución más fácil para el problema que provocó el cierre de su pregunta es hacer una sola pregunta más breve y concisa para cada publicación. Si hace preguntas múltiples y complicadas en una publicación, cualquier respuesta posible sería tan larga que impediría que se leyera, y mucho menos que sea útil para una audiencia más amplia. ¿Tiene sentido?
Es fácil saber la respuesta a esta pregunta: consigue un poco de aceite viscoso, un taladro eléctrico con punta plana y un termómetro. Mida la temperatura del aceite, haga funcionar el taladro con la broca en el aceite un rato (cuidado con las salpicaduras), pare, espere a que cese cualquier movimiento macroscópico (esto será muy rápido si el aceite es viscoso), mida la temperatura de nuevo. Bien, ahora sabes adónde se fue al menos parte de la energía. Repita el experimento con más cuidado: mida el par y la velocidad de rotación para conocer la potencia de entrada &c &c. Ahora ya sabes a dónde va la energía: calentar el aceite.

Respuestas (2)

La energía total de un sistema cerrado siempre se conserva (traducción del tiempo, teorema de Noether). Sin embargo, esta energía puede pasar del movimiento macroscópico (flujo de fluido) a vibraciones aleatorias de las moléculas.

No estoy 100% seguro de la termodinámica, pero lo intentaré.

la energia total tu Todavía está allí, pero ha cambiado a calor. La velocidad v de las moléculas tampoco ha cambiado, ¡sin embargo, las direcciones se aleatorizaron!

Lo que también ha cambiado es la entropía. S . Solo hay unas pocas realizaciones posibles de flujo laminar perfecto con una cierta velocidad. Para vibraciones aleatorias, tienes muchas más configuraciones posibles. Entonces, aunque la energía interna tu no ha cambiado, la energía macroscópica “útil” F (energía libre de Helmholtz) ha cambiado:

F = tu T S .
En un sistema cerrado sabemos que tu está arreglado. Así que reescribámoslo como
tu = F + T S .
Así que empezamos con una configuración con baja entropía S . Esto significa que la energía utilizable es alta. Luego, debido a varios procesos de relajación, la entropía S incrementará. Suponiendo que la temperatura T no cambia mucho, entonces tendremos una disminución en la energía útil F .

Entonces, el calor sigue siendo una forma de energía, aunque no se puede usar directamente como energía cinética de un objeto macroscópico (digamos, un péndulo que se balancea).

Gracias por la respuesta. Veo tu punto y eso es lo que quise decir con energía útil. Entonces, si la entropía aumenta, a T constante, la energía libre disminuye, y este es el efecto de la viscosidad: se disipa F en calor Q = TS? Pero, ¿por qué necesitamos agregar un término de arrastre viscoso especial cuando escribimos las ecuaciones de movimiento para una colección de partículas o Navier-Stokes para explicar este fenómeno? ¿Es la energía total/equivalente hamiltoniano en este caso a F y la razón por la que no se conserva es que no podemos dar cuenta de todos los grados de libertad?
Volvamos al ejemplo del agua y la miel: si lo simulamos a nivel molecular no necesitamos tales términos y la viscosidad debería surgir por sí sola. Claramente, la miel debería fluir más lentamente. ¿Cuál es entonces una medida de amortiguamiento/disipación de energía? ¿Es la entropía o la energía cinética? Porque lo que el ojo percibe son velocidades más lentas. ¿Esto implica que la miel fluye con menos energía cinética que el agua? Pero si la temperatura corresponde a la energía cinética promedio, ¿no debería reflejarse la viscosidad en T de alguna manera?
Si realiza una simulación a nivel microscópico, no hay fricción involucrada y todo debería surgir del DOF microscópico. La energía total es tu , entonces H = tu . Hay demasiados de ellos para hacer una simulación macroscópica. La ecuación de Navier-Stokes es algo efectivo/fenomenológico que describe el DOF relevante del sistema. Una medida de disipación con DOF relevantes debe ser el aumento de S .

Parte de la respuesta es que, con un número de Reynolds bajo, en un flujo aerodinámico, hay poca o ninguna resistencia. Sin embargo, a velocidades más altas, la estela de un objeto en movimiento crea vórtices (y lo hace de manera aleatoria, se produce una ruptura de simetría espontánea). Esos vórtices aleatorios causan una fuerza de retardo al cuadrado de la velocidad, que pierde energía ya sea que su movimiento sea hacia el norte o hacia el sur... definitivamente es un campo de fuerza no conservativo. El arrastre se puede disminuir con algunas formas que arrojan vórtices (para que el vórtice no incida sobre el objeto en movimiento).

En cualquier caso, los vórtices se descomponen en energía térmica en un fluido. El agua en la base de las cataratas del Niágara es ligeramente más cálida que el agua en la parte superior, por lo que la energía no solo se pierde en las paredes sólidas.

Esto es interesante: los vórtices están causando arrastre. Profundizaré más en ello. Además, estás diciendo que la descomposición de la energía se encuentra en la energía térmica, es decir, el aumento de la temperatura, mientras que Martin dijo que está solo en la entropía. Lo pensaré más. ¡Gracias de cualquier manera!
Hay entropía en la ruptura espontánea de la simetría; eso es parte de la termalización. La mezcla entrópica de la crema en el café comienza de manera similar con la formación de vórtices alrededor de la cuchara en movimiento...