Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Թերմոդինամիկական աշխատանք. էլեկտրամագանիսականությունից-ադապտացիա:

Բաբաջանյան, Սանասար Գառնիկի (2017) Թերմոդինամիկական աշխատանք. էլեկտրամագանիսականությունից-ադապտացիա:. PhD thesis, Ա. Ի. Ալիխանյանի անվան ազգային գիտական լաբարատորիա.

[img] PDF (Thesis)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (1704Kb)
    [img] PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (747Kb)

      Abstract

      Թերմոդինամիկան, որպես ջերմային մեքենաների մասին տեսություն, առաջացել է 19-րդ դարում, Արդյունաբերական Հեղաշրջման միջոցով և հետևանքով: Դեռևս 19-րդ դարի կեսերին այն վերածվեց տեսության, որը հիմնված էր մի քանի բացահայտ և մի շարք անուղղակի ենթադրությունների վրա: Այս տեսության կայացման մեջ իրենց ներդրումն են ունեցել բազում գիտնականներ, ինչպիսիք են Կառնոն, Կլաուզիուսը, Թոմսոնը և այլք: Այնուհետև Բոլցմանի, Մաքսվելի և Գիբսի աշխատանքների շնորհիվ թերմոդինամիկան հիմնվեց միկրոսկոպիկ տեսությունների վրա: Գիտնականներն այլևս փորձում էին ոչ թե ենթադրություններ կատարել թերմոդինամիկայի վերաբերյալ, այլ՝ դուրս բերել դրանք «առաջին սկզբունքներից»: Թերմոդինամիկան նույնպես կապվեց սահմանափակ կառավարման խնդրի հետ, քանի որ թերմոդինամիկական առնչությունների ի հայտ գալը պայմանավորված էր բազմամասնիկանի համակարգերի ոչ լրիվ նկարագրման հետ: Սահմանափակ ղեկավարման այս կողմը հաճախ հանդիպում է ֆլուկտուացիաների տեսքով: Սակայն, թերմոդինամիկայի և կառավարման գաղափարի միջև եղած կապը չի սպառվում ոչ ֆլուկտուացիաներով և ոչ էլ ոչ լրիվ նկարագրումով: Որպես այդ կապի հնարավոր նկարագիր նույնպես առաջարկվեց մաքսիմալ էնտրոպիայի գաղափարը: Ջերմային մեքենաների և կառավարման միջև մեկ այլ կապ ի հայտ եկավ ադապտացիայի գաղափարի շնորհիվ: Վերջինիս ուսումնասիրությունը սույն ատենախոսության հիմնական խնդիրներից է: Թերմոդինամիկան և միկրոսկոպիկ տեսությունները փոխկապված են երկկողմանիորեն: Մի կողմից միկրոսկոպիկ նկարագրումը նպաստում է թերմոդինամիկայի ընկալմանը և մեծացնում է դրա կիրառման տիրույթները: Մյուս կողմից՝ միկրոսկոպիկ տեսությունները թերմոդինակայի շնորհիվ ոչ միայն շահում են նոր խնդիրներ ու գաղափարներ, այլև որոշ դեպքերում իրենց առաջացման համար պարտական են վերջինիս: Ցայտուն օրինակ է քվանտային մեխանիկայի առաջացումը, որը սկիզբ առավ սև մարմնի ճառագայթման վերաբերյալ Պլանկի աշխատություններից: Ատենախոսության հիմնական խնդիրն է ուսումնասիրել թերմոդինամիկայի վերը նշված երկու կողմերը՝ կապը միկրոսկոպիկ տեսության և կառավարման խնդիրների հետ: Թերմոդինամիկան առաջացման վաղ փուլերում ուսումնասիրում էր ջերմային հավասարակշռության մեջ գտնվող համակարգերում ընթացող պրոցեսները: Սակայն իր զարգացման տարբեր փուլերում այն դուրս եկավ հավասարակշռության սահմաններից՝ բաժանվելով տարբեր ճյուղերի՝ ստոխաստիկ, քվանտային, ռելյատիվիստիկ: Այս ճյուղավորման ընթացում փոխվեցին թերմոդինամիկական մի շարք մեծությունների սահմանումները: Թերևս միայն թերմոդինամիկական աշխատանքի սահմանումն է, որ չենթարկվեց փոփոխությունների: Վերջինիս սահմանումը չփոխվեց ո՛չ քվանտային և ո՛չ էլ ստոխաստիկ թերմոդինամիկայում: Այս մեծության միջոցով սահմանված թերմոդինամիկայի օրենքները կարիք չունեցան ձևափոխման: Ռելյատիվիստիկ թերմոդինամիկան կառուցվեց որպես ֆենոմենոլոգիական տեսություն՝ հիմնված բազում ենթադրությունների վրա: Այս տեսության շրջանակներում թերմոդինամիկական մեծությունների համար առաջարկվեցին ձևափոխման տարբեր, մեկը մյուսին հակասող օրենքներ՝ որպես հիմք ընդունելով էնտրոպիայի և հավանականության միջև կապը: Ի տարբերություն հավասարակշիռ թերմոդինամիկայի՝ ռելյատիվիստիկ թերմոդինամիկայի կապը միկրոսկոպիկ տեսության հետ պարզ չէ: Թերմոդինամիկական աշխատանքի սահմանումն ամենապարզն է թերմոդինամիկայի նկարագիրների մեջ։ Այդ սահմանման հետ, սակայն, առաջանում են խնդիրներ արդեն իսկ պարզագույն՝ ռելյատիվիստիկ դինամիկայով նկարագրվող երկմասնիկանի համակարգում: Ատենախոսության շրջանակներում տրվել է հիշյալ մեծության տրամաբանորեն և ֆիզիկորեն հիմնավորված սահմանումը: В диссертации изучаются вопросы неравновесной статистической механики, которые также лежат на стыке других дисциплин: электродинамики и кибернетики. Общая тема - это термодинамическая работа, ее определение и регулирование. Важность этой тематики определяется тем что работа (в отличии от энтропии, температуры и некоторых других величин) хорошо определена вне равновесия. Поэтому она применяется в неравновесной термодинамике в формулировках ee законов, выяснении пределов ее применимости, вo флуктуационных теоремах и т.д. В первой части рассматривается определение работы для системы в электромагнитном поле. Важность этой задачи трудно переоценить так как электромагнитного поле является одним из основным источников внешнего воздействия на системы изучаемые в статистической механике. До сих пор решение задачи было известно только для квазистационарного поля. Проблема определения работы была открытой также и потому, что прямое применение Гамильтонова формализма для определения работы через изменение энергии невозможно в силу калибровочной неинвариантности Гамильтониана. Для решения проблемы необходимо релятивисткое описание для источника работы. Для простоты было рассмотрено релятивисткое взаимодействие двух точечных зарядов, один из которых намного тяжелее другого. Тяжелая частица рассматривается как источник внешного электромагнитного поля, так как ее динамика слабо возмущается в течении взаимодействия. В рамках полученного решения достигается калибровочно-инвариантное определение работы и устанавливается его релятивисткая ковариантность. В основе этого определения тот факт, что сумма полной энергии легкой частицы, в калибровке Лоренца и кинетической энергии источника оказывается почти сохраняющейся величиной. Проясняется связь определения с модифицированным тензором энергии-импульса для полной системы. С помощью модифицированного (ковариантного) тензора энергии-импульса была введена потенциальная энергия. Ее невозможно ввести с помощью стандартного, калибровочно-инвариантного тензора энергии-импульса. Несмотря на эти и другие отличия, и модифицированый и стандартный тензор энергии-импульса приводят к одинаковым глобально сохраняющимся величинам полного момента и энергии. Далее, проблема работы изучается при наличии обратной реакции излучения и показывается, что определение остается согласованным. В частности рассматривается временной ход процессов излучения и переноса работы и указывается на интересное свойство работы: ее перенос хорошо отделен по времени от процессов излучения. В последней части рассматривается общее свойство обычных термальных двигателей, функционирование которых оказывается ограниченным определенным режимом температур термостатов. Это ограничение хорошо известно в реальной жизни, где нормальный режим работы двигателей внутреннего сгорания требует заранее определенных температур. Ограничение можно преодолеть с помощью адаптивного процесса, в рамках которого термальный двигатель приспособляет свой режим функционирования к заданным температурам. С этой целью в стандартную модель трехуровневой термальной машины вводится непрерывная внутренняя (контролирующая) степень свободы, которая должна не взаимодействует с внешними термостатами двигателя, но взаимодействует с его рабочим телом. Адаптация достигается за счет обратной связи от рабочего тела к контролирующей степени свободы. Рассмотрены два основных режима: адаптация мощности (работы) и адаптация эффективности. Обсуждаются термодинамические ограничения на саму возможность адаптации, а также возможные биофизические применения адаптации. Указывается на пример естественного адаптивного термального двигателя (фотосинтез). This thesis studies several problem of non-equilibrium statistical mechanics that have inter-disciplinary relations with electrodynamics and cybernetics. The general subject is the thermodynamic work, its definition and control. This subject is important, because work (in contrast to entropy, temperature and a number of other variables) is well-defined out of equilibrium. Hence it is employed for studying non-equilibrium physics: formulations of thermodynamic laws, fluctuation theorems etc. In the first section, the author studies how to define the work for a particle (or several particles) in an electromagnetic field. The importance of this problem cannot be over-estimated, because the electromagnetic field is the main source of external influences for systems studied in statistical mechanics. Till now the problem of defining the work done via electromagnetic field was solved only for a quasi-stationary field. The problem was open, also because the gauge non-invariance of the standard Hamiltonian formalism precludes its direct application to defining the work via energy changes. The author focuses on the simplest autonomous situation that explicitlyaccounts for the source of work: two charged point particles which described by relativistic dynamics. One of the particles describes the source of work, since it is assumed to be much heavier than the other one. Thus the dynamics of the heavy particle is perturbed weakly during the interacion. The radiation reaction of the particles is neglected in this section. It is shown how the problem of desiging the work can be resolved and a gauge-independent definition of work is proposed via including the source of work in a consistent relativistic dynamics. This leads to an approximate conservation of the light particle's full energy evaluated in the Lorenz gauge plus the kinetic energy of the source. The author also shows that this definition emerges from a relativistically consistent modified energy-momentum tensor for the whole system (i.e. particles plus electromagnetic fields).

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Thermodynamic work: from electromagnetism to adaptation. Термодинамическая работа: от электромагнетизма к адаптации.
      Uncontrolled Keywords: Babajanyan Sanasar G., Бабаджанян Санасар
      Subjects: Physics
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 09 Nov 2017 16:41
      Last Modified: 10 Nov 2017 15:51
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/5926

      Actions (login required)

      View Item