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Entropy Production and Phase Transitions far from Equilibrium with Emphasis on Wet Granular Matter

dc.contributor.advisorHerminghaus, Stephan Prof. Dr.de
dc.contributor.authorHager-Fingerle, Axelde
dc.date.accessioned2008-11-14T15:30:30Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T13:39:56Zde
dc.date.available2013-01-30T23:51:11Zde
dc.date.issued2008-11-14de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B475-Fde
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2880
dc.description.abstractIn dieser Dissertationsschrift wird irreversible Dynamik untersucht. Es wird analytisch gezeigt, dass das jüngst entwickelte Fluktuationstheorem auf relativistische Dynamik erweiterbar ist. Die analytische Betrachtung nicht-relativistischer granularer Gase mit gebrochener Zeitumkehrsymmetrie zeigt dagegen, dass das Fluktuationstheorem durch große Fluktuationen verletzt wird. Dies wird durch Simulationen feuchter Granulate in getriebenen Zuständen bestätigt. Es wird gezeigt, dass das Theorem für kleine Fluktuationen weiterhin Bestand hat, wodurch frühere Bestätigungen in der Literatur durch ihren Messbereich erklärt werden. Es wird experimentell nachgewiesen, dass die Teilchenwechselwirkung in feuchten Granulaten hysteretisch ist durch die Bildung und das Reißen von Kapillarbrücken. Die gemessene Dissipation wird quantitativ durch die Abrisslänge und -energie der Brücken beschrieben. Auf dieser Basis wird für die Kinematik feuchter Granulate der Enskog-Faktor analytisch erweitert zu einem Satz von sechs Faktoren, die eine statistische Beschreibung der hysteretischen Wechselwirkung ermöglichen. Die Zulässigkeit einer statistischen und ferner hydrodynamischen Beschreibung ist das Ergebnis analytischer und numerischer Berechnungen der Kolmogorov-Sinai-Entropie, welche eine erhebliche Zunahme des dynamischen Chaos durch die Kapillarwechselwirkung in feuchten Granulaten zeigt. Auf dieser Grundlage wird die Zustandsgleichung feuchter Granulate analytisch hergeleitet und eine van-der-Waals-ähnliche Instabilität vorhergesagt. Diese wird in Simulationen und Experimenten nachgewiesen. In der Simulation führt diese Instabilität zum Aufbrechen von Kapillarbrücken, deren zeitliche Entwicklung analytisch in Molekularfeldnäherung berechnet wird mit dem Ergebnis quantitativer Übereinstimmung. Die experimentelle Bestimmung des kritischen Punktes der Instabilität ist in quantitativer Übereinstimmung mit der Theorie. Eine neue Methode zur Messung der Geschwindigkeitsverteilung in granularen Nichtgleichgewichtszuständen unter Anwendung des Mößbauereffekts wird vorgeschlagen. Eine erste Messung zeigt eine exponentielle Verteilung im granularen Fluid. Eine direkte Messung des globalen Zustands des dynamischen Kapillarnetzwerkes im feuchten Granulat wird durch Benetzung mit ionischen Flüssigkeiten durchgeführt. Dies ermöglicht, den Übergang feuchter Granulate vom festen in den fluiden Zustand im Volumen zu beobachten. Dadurch kann mit bislang unerreichter Präzision experimentell nachgewiesen werden, dass dieser Phasenübergang diskontinuierlich und hysteretisch ist. Weiter zeigen Numerik und Experiment, dass dieser Nichtgleichgewichtsübergang bei einer kritischen Beschleunigung der äußeren Anregung auftritt. Es wird ferner der Übergang feuchter Granulate vom fluiden in den gasförmigen Zustand in Experimenten und Simulationen gezeigt. In beiden Zugängen wird quantitativ nachgewiesen, dass dieser Übergang bei einer kritischen Geschwindigkeit der Anregung einsetzt, welche direkt aus der Kapillarenergie folgt. Fluid/Gas-Koexistenzen treten in Experimenten und Simulationen auf und werden analytisch als subkritische Instabilität des Energieflusses erklärt. Unter Anwendung der Zustandsgleichung werden räumliche Temperatur-, Dichte- und Dissipationsverteilungen berechnet. Ordnungsparameter werden gemessen und ein umfassendes Phasendiagramm der Nichtgleichgewichtszustände und Phasenübergänge feuchter Granulate wird erstellt.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://webdoc.sub.gwdg.de/diss/copyr_diss.htmlde
dc.titleEntropy Production and Phase Transitions far from Equilibrium with Emphasis on Wet Granular Matterde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedEntropieproduktion und Phasenübergänge fern vom Gleichgewicht mit Betonung feuchter granularer Materiede
dc.contributor.refereeZippelius, Annette Prof. Dr.de
dc.date.examination2007-12-11de
dc.subject.dnb530 Physikde
dc.description.abstractengThis thesis investigates irreversible dynamics. It is shown analytically that the recent Fluctuation Theorem extends to relativistic dynamics. In the analytic consideration of non-relativistic granular gases with broken time-reversal symmetry we find violations of the Fluctuation Theorem for large fluctuations. This is confirmed by simulations of wet granular matter in driven stationary states. It is shown that the theorem persists to hold for small fluctuations, which explains earlier reports of confirmation in literature as a consequence of their measurement range. The particle interaction in wet granular matter is experimentally shown to be hysteretic with the formation and rupture of capillary bridges. The measured dissipation is quantified by the rupture length and energy of the bridges. For a kinematic description of wet granular matter based on these experimental findings, the Enskog factor is generalized analytically to a set of six factors, which account for the hysteretic interaction in a statistical description. Such a statistical and, moreover, continuum description is made possible by the analytical and numerical computations of the Kolmogorov-Sinai entropy, which demonstrates the substantial increase of dynamical chaos due to the capillary interaction in wet granular matter. On this basis, the equation of state of wet granular matter is derived analytically. A van-der-Waals-like mechanical instability is predicted, and verified in simulations and experiments. In the simulations, the instability leads to the breakup of capillary bridges. This nonequilibrium dynamics is described analytically by a mean-field theory in quantitative agreement with the simulations. The experimentally determined critical point of this instability agrees quantitatively with the theory. A novel method, which allows to measure the velocity distribution in nonequilibrium steady states of granular matter based on the Mössbauer effect, is suggested. In a first measurement, an exponential velocity distribution is observed for the fluid-like state. It is demonstrated that the global instantaneous state of the dynamical capillary network in wet granular matter is observable by electrical conductivity, when an ionic liquid is added. This allows to detect the transition of wet granular matter from the solid to the fluid state in the bulk, excluding surface effects, and to demonstrate experimentally with unprecedented precision that this transition is discontinuous and hysteretic with respect to the external driving. Simulations and experiments show that this nonequilibrium transition sets in at a critical acceleration of the external driving. Furthermore, the transition from the fluid-like to the gaseous state of wet granular matter is demonstrated experimentally and by simulations. In both approaches it is shown quantitatively that this transition is determined by a critical velocity of the driving, which is directly related to the capillary energy. States of fluid/gas coexistence, which emerge in experiments and simulations are explained analytically as subcritical instabilities in the balance of power. Applying the derived equation of state, the spatial distributions of temperature, density and dissipation are computed. Order parameters are measured, and the global phase diagram of the nonequilibrium states and transitions of wet granular matter is presented.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gergranulare Materiede
dc.subject.gerNichtgleichgewichtde
dc.subject.gerPhasenübergängede
dc.subject.enggranular matterde
dc.subject.engnonequilibriumde
dc.subject.engphase transitionsde
dc.subject.bk33.28de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-1942-6de
dc.identifier.purlwebdoc-1942de
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.subject.gokfullRJM 000: Thermodynamik irreversibler Prozessede
dc.identifier.ppn61176279Xde


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