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?
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 Todavía está allí, pero ha cambiado a calor. La velocidad de las moléculas tampoco ha cambiado, ¡sin embargo, las direcciones se aleatorizaron!
Lo que también ha cambiado es la entropía. . 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 no ha cambiado, la energía macroscópica “útil” (energía libre de Helmholtz) ha cambiado:
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).
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.
honeste_vivere
jerbo sammy
usuario123634
usuario123634
honeste_vivere
usuario107153