Сыпучие вещества подчиняются законам статистической механики
Описать поведение гранулированной системы существующие теории не могут. Но физики нашли способ сделать это, наблюдая за этими материалами при помощи томографа
Поведение гранулированных материалов в чем-то похоже на другие системы из множества частиц, таких как газы, жидкости и твердые тела. Например, как и жидкости, такие системы могут течь и выдерживать большие механические напряжения, как твердые тела. Макроскопические наблюдаемые свойства гранулированной системы, такие как плотность ее упаковки, можно изменять, управляя лишь некоторыми параметрами системы. Газы, жидкости и твердые тела при тепловом равновесии также управляются статистическими принципами и могут быть успешно описаны теорией равновесной статистической механики. Создание подобной теории для гранулированных материалов до сих пор было проблемой.
В равновесной статистической механике главной наблюдаемой величиной является полная энергия системы. Эта энергия связана с энтропией и энтальпией системы. Однако для гранулированных систем полная энергия либо постоянно изменяется, либо ее расчет не имеет смысла. Поэтому эта величина не пригодна для описания состояния системы гранул. Вместо этого физики ранее предлагали использовать объем, и даже построили соответствующую теорию. Но проверить ее предсказания удалось только сейчас.
В новой работе физики изучали гранулированный материал, состоящий из трехмерных пластиковых шариков диаметром несколько миллиметров, удерживаемых в контейнере. Для различных итераций эксперимента команда использовала бусины с различной шероховатостью поверхности. Это позволило изучить влияние трения на упаковку гранул. Ученые периодически постукивая по контейнеру, чтобы заставить частицы перемещаться, а затем снимали всю систему при помощи рентгеновского томографа.
Авторы обнаружили, что связь между компактностью системы и интенсивностью постукивания не зависит от трения. Это значит, что разные гранулированные системы, на которые воздействовали с одинаковой силой, будут иметь одинаковую компактность. В контексте равновесной статистической механики это поведение соответствует тому, что наблюдается, когда две системы, контактирующие с одной и той же тепловой ванной, достигают одной и той же температуры. Фактически, это одно из проявлений нулевого закона термодинамики.
Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
20 сугубо научных фактов, о которых вы не знали
Текст комментария