Definición de estrés a microescala

Tome, para simplificar, un fluido de Lennard-Jones por debajo de la temperatura crítica, lo que quiere decir que hay una separación de fases en fluido y gas y, por lo tanto, se forma una interfaz. La imagen a macroescala es que hay tensión actuando tangente a esta interfaz. Pero, por supuesto, a microescala las cosas no son tan bonitas: la interfaz es difusa y, por lo tanto, la tensión interfacial también debe distribuirse en consecuencia.

Mi pregunta es, entonces: ¿cómo se define el estrés (en los sistemas clásicos) con interacciones de largo alcance?


He enumerado un par de opciones a continuación. Según tengo entendido, las diferencias en los enfoques están muy relacionadas con la forma en que se manejan las cosas en la relatividad general: tensores de tensión-energía de Hilbert vs. Canonical vs. Belinfante-Rosenfeld. Asumo que el debate, si alguna vez hubo uno, se resolvió en GR, pero al no ser un experto en el tema, agradecería mucho si las lecciones extraídas de ellos pudieran explicarse en términos simples.

  1. Ahora bien, podríamos definir la tensión como el tensor cuya divergencia es la densidad de fuerza. Ahora, obviamente, esta definición no es única, e igualando la derivada temporal de la densidad de momento con la de la fuerza, terminamos con

    σ metro norte ( r ) = i pags i metro pags i norte metro d ( r r i ) + i > j i metro φ ( r i j ) i j d ( r ) d norte
    donde la integral es sobre cualquier contorno de la partícula i a j [Schofield y Henderson, Proc. R. Soc. largo A 379 , 231 (1982)]. Que este contorno sea arbitrario es el meollo del problema: con diferentes elecciones uno obtiene resultados diferentes, lo cual es problemático. A menudo se defiende que el tensor de tensión en sí mismo es una entidad no física, y que uno solo debería preocuparse por las cantidades termodinámicas medibles, como la tensión interfacial (que debería ser una integral sobre la tensión), pero esto me parece extraño. Si bien el último se puede calcular a partir del primero, si el tensor de tensión no es único, tampoco lo sería la tensión interfacial (esto en realidad no sucede en geometría plana, pero sí en sistemas más generales).

  2. Otra opción podría ser utilizar, al igual que el tensor de tensión-energía de Hilbert antes mencionado,

    σ metro norte = 2 gramo d F d gramo metro norte
    donde la variación de la energía libre d F = gramo σ metro norte d ε metro norte d 3 X ; ε metro norte siendo la deformación, interpretada a través de cambios métricos para la fórmula anterior [Mistura, Int. J. Thermophys. 8 , 397 (1987)]. Esta forma es automáticamente simétrica y única. Además, es equivalente a la definición anterior si se elige que los contornos de integración sean líneas rectas de un átomo al siguiente. Todo esto suena muy bien, pero ¿dará siempre los resultados correctos para cantidades medibles, es decir , es totalmente consistente con la termodinámica?

Además de estos problemas, es probable que uno tenga que preocuparse por la no extensibilidad.


Para resumir : ¿Se puede generalizar el tensor de tensión-energía de Hilbert a la termodinámica clásica llamando a la variación de la energía libre wrt la métrica (multiplicada por 2 / gramo ) el tensor de tensión? ¿O se debe usar el tensor canónico de estrés (-energía)? Esto último conduciría a problemas con la invariancia del calibre; ¿Cómo se interpretan estos? ¿Hay una prueba obvia? Y finalmente: ¿Están los enfoques sugeridos condenados al fracaso debido a la naturaleza de largo alcance del problema y, por lo tanto, a la no extensibilidad de las cantidades termodinámicas?

No puedo responder a tu pregunta, pero de todas las preguntas que he visto hoy en PSE esta es la que merece una respuesta, solo espero que no sea ignorada por su nivel de dificultad.

Respuestas (2)

Solo el tensor de tensión simétrico es físico, ya que la termodinámica exige un tensor de tensión simétrico. Dado que el tensor de tensión simétrico es único, su opción 2 es la correcta. (Las versiones canónicas pueden ser más simples pero no necesitan ser físicas; cf. el momento canónico, que a menudo es diferente del momento físico).

Esto no tiene ninguna relación con la cuestión de las fuerzas de largo alcance, ya que el tensor de tensión es un concepto totalmente local. En particular, el tensor de tensión ya está determinado en el nivel más fundamental (teoría cuántica de campos) y sigue siendo el mismo en todos los niveles de aproximación.

Para que la termodinámica "funcione" (extensibilidad), ¿no es necesario suponer siempre que las fuerzas son de corto alcance? ¿Cómo se corresponde la tensión definida anteriormente con una cantidad termodinámica? Entonces, supongamos que quiero calcular la tensión superficial de vdW: ¿Puedo calcular la tensión a partir de la fórmula anterior y luego simplemente integrarla sobre la superficie? ¿O esto daría algún otro "estrés"? por ejemplo, Rossi et al. , J. Química. física 132 , 074902 (2010) solo han establecido la conexión con fuerzas de corto alcance.
Las integrales sobre el tensor de tensión son cantidades extensivas y tienen, en un entorno termodinámico, las integrales sobre el tensor métrico como cantidades intensivas conjugadas. Véase el libro de Oettinger, Más allá de la termodinámica del equilibrio. - Entonces, probablemente la respuesta a su pregunta sobre la tensión superficial es sí, después de un ligero suavizado del tensor de tensión en una capa delgada alrededor de la superficie.

Respuesta corta : La principal dificultad radica en las propias definiciones, y ninguna de las posibilidades dadas tiene un significado físico real que pueda relacionarse unívocamente con la tensión en sistemas no extensivos en su significado original mecánico convencional.

El largo : ¿A qué tipo de sistemas se aplica esto? Esto no se responde refiriéndose a sistemas con interacciones de largo alcance, porque ese mismo concepto no está claramente definido, o mejor dicho, no está del todo claro qué efecto tiene sobre el comportamiento macroscópico del sistema.

Por ejemplo, las moléculas que interactúan con el potencial de Lennard-Jones exhiben un comportamiento de gas ideal, así como un comportamiento de gas de Van der Waals, e incluso un comportamiento líquido, en las condiciones apropiadas. ¿Ha cambiado el potencial? No, solo la energía cinética promedio de las moléculas que afecta la separación promedio, por lo que aparentemente, cualquiera que sea la forma en que queramos clasificar este potencial, claramente puede dar lugar a un comportamiento macroscópico diferente, e incluso a una extensibilidad.

Lo mismo sucede con los núcleos: cualquiera que sea nuestra definición de largo alcance, claramente el potencial debido a uno de los nucleones tiene un rango de tamaño comparable al del núcleo, y se esperaría que fuera lo suficientemente largo. Sin embargo, el núcleo exhibe saturación como los líquidos, con densidad constante para todos los núcleos estables.

Además, el enfoque adoptado sobre este tema determina mucho lo que puede esperar. El estrés es un concepto de descripciones de tipo macroscópico, donde no te importan los detalles de la descripción microscópica. También requiere que el sistema que se quiere caracterizar con estrés tenga algún grado de rigidez. Quiero decir con esto que las diferentes partes del sistema deben estar vinculadas de tal manera que el estrés no cambie el sistema por completo, sino que ofrezca una oposición a él.

Este es definitivamente el caso de los sólidos, para los cuales incluso podría hacer zoom y aún encontrar partes microscópicas comprimiéndose, extendiéndose o retorciéndose bajo tensión, pero nunca deslizándose entre sí como capas.

Sin embargo, el caso de los líquidos es interesante, porque aunque microscópicamente las partículas no están realmente conectadas, y se atravesarán entre sí casi sin conexión, a un nivel más alto se puede definir el estrés en función de la cantidad de materia en promedio en cada porción de su volumen, lo que demostrará esta constancia y tipo de rigidez necesaria para una descripción en términos de tensión mecánica. Los gases bajo ciertas condiciones pueden ser tratados como tales pero nuevamente, a cierta escala macroscópica suficiente.

La desventaja de describir un fluido en estos términos es que esto solo es válido para una escala en la que las partes del sistema están en equilibrio termodinámico, al menos localmente. Si esto no se cumple, entonces es un lío describirlo en términos termodinámicos y aún es un tema de investigación.

Entonces, para un sistema de partículas voladoras que interactúan como el de la definición uno, para mí no tiene sentido tener una cuenta detallada de la energía a una escala tan microscópica, al hacer una derivada del tiempo. No tiene sentido para mí porque es una definición teórica tan útil como definir la trayectoria del movimiento browniano por el número de aciertos que obtienes en un promedio de tiempo: no proporciona información sobre la naturaleza del fenómeno y básicamente dice: `` si conociéramos todos los momentos y fuerzas de cada instante, podríamos calcular el comportamiento macroscópico del sistema”, lo cual es poco práctico incluso para los estándares teóricos. Además, sabemos que el comportamiento colectivo, surgido de un comportamiento microscópico caótico, muchas veces puede ser muy simple. Para mí, esto es un llamado a los teóricos para que encuentren un enfoque diferente, tal vez de mesoescala como,

Este ya es el caso de la segunda opción que das. Y el hecho de que simplificando considerablemente los caminos de integración en el primero te da el segundo ya prueba el punto anterior. Esto no significa que microscópicamente las partículas se comporten de manera tan simple, simplemente significa que si el sistema macroscópico se comporta de manera simple (es decir, equilibrio termodinámico local, isótropo) entonces se obtiene el mismo comportamiento promedio que si el sistema fuera más simple.

Esta respuesta parece estar en conflicto con la otra: ¿Podría dar más detalles? En cuanto a su comentario sobre no conocer todas las fuerzas en todas las instancias de tiempo: la Definición 1 en realidad se usa regularmente para calcular tensiones a partir de simulaciones de dinámica molecular, y tiene una definición exacta para la tensión microscópica que podría integrarse para dar el valor que puede ser medido macroscópicamente sería de hecho de gran beneficio y directamente aplicable.
Porque el otro no menciona el problema de las interacciones de largo alcance. El problema con la primera expresión es que no es única, y para las integraciones se hacen algunas simplificaciones que producen el efecto de promediar observado en el tiempo y sobre muchas partículas. El segundo es bueno siempre que el sistema muestre equilibrio en algún grado macroscópico, pero cuando el sistema muestra signos de no extensibilidad como se dice que causan las interacciones de largo alcance, entonces no está claro si realmente representa el comportamiento físico del sistema.