Уравнение движения жидкокристаллической среды
Уравнение для временной производной плотности жидкости есть уравнение непрерывности:
(5)
Отметим, что этим уравнением, по существу, определяется гидродинамическая скорость как плотность потока вещества, отнесенная к единице его массы.
Уравнение для временной производной скорости есть динамическое уравнение:
(6)
где F —сила, действующая на единицу объема. Объемные силы могут быть представлены в виде тензорной дивергенции:
где
-тензор
напряжения.
Тогда динамическое уравнение запишется в виде:
(7)
Вид тензора напряжений будет установлен ниже.
Наконец, остается еще уравнение для энтропии. В отсутствие диссипативных процессов движение жидкости было бы адиабатичным, причем адиабатичным в каждом элементе жидкости, которые передвигались бы со своими постоянными значениями энтропии. Уравнение, выражающее сохранение энтропии, записывалось бы просто в виде уравнения непрерывности для нее:
где S — энтропия единицы объема, a vS — плотность потока энтропии ). При учете диссипативных процессов энтропийное уравнение имеет вид:
(8)
Здесь
R
—
так называемая диссипативная функция;
2R/T
определяет
скорость возрастания энтропии ); она
представляет собой квадратичную форму,
составленную из компонент тензора vi
k
и
векторов h
и градиента температуры
.
Вектор
же q
— плотность потока тепла, связанного
с теплопроводностью. Компоненты этого
вектора -линейные функции компонент
вектора градиента температуры:
(9)
В нематической среде тензор коэффициентов теплопроводности xikимеет две независимые компоненты и может быть представлен в видe:
(10)
где
и
описывают
теплопроводность в продольном и
поперечном (по отношению к n)
направлениях.
Закон сохранения энергии в гидродинамике выражается уравнением вида:
(11)
где Е — плотность внутренней энергии, a Q — плотность потока энергии. Плотность энергии Е = Е0 +Ed , где Е0 (р, S) относится к недеформированной, однородной среде, а энергия Еd связана с искажением поля n (r). Согласно сказанному величина Еd совпадает со свободной энергией Fd , с той лишь разницей, что модули упругости K1, K2, K3 подразумеваются выраженными через плотность и энтропию, а не температуру.
Закон
сохранения энергии содержится, конечно,
в уравнениях движения. Мы же воспользуемся
им для установления связи между введенными
выше функцией R,
тензором
и вектором N.
Раскроем производную по времени в уравнении (11) с учетом термодинамических соотношений:
,
где
химический потенциал. Имеем:
(12)
Рассмотрим
отдельно последний член. Введя обозначение
пишем:
(вместо H здесь написано h, поскольку продольная часть Н сразу выпадает ввиду равенства n dn/dt = 0). Подставив сюда dn/dt из (3), пишем:
и после выделения еще одной полной дивергенции:
(13)
где
(14)
Здесь и ниже мы не выписываем полностью выражение под знаком дивергенции с целью уменьшения громоздкости формул. Эти члены (к которым мы вернемся еще в конце параграфа) не существенны для решения поставленного вопроса. Выражение (14) можно представить в виде:
(15)
где
(16)
При преобразовании использовано равенство:
Определение
тензора
неоднозначно:
выражение (15) не изменится при добавлении
к
любого
слагаемого вида
,
где
—
произвольный тензор, антисимметричный
по последней паре индексов
.Хотя
тензор (16) не симметричен, он может
быть приведен к симметричному виду
прибавлением члена указанного вида
с надлежащим образом подобранным
тензором
.Фактическое
проведение этой, довольно громоздкой,
операции отложим до конца параграфа, а
сейчас продолжим вывод уравнений
движения, предполагая симметризацию
уже
произведенной.
Подставив
(15) в (13) и выделяя в одном из членов
полную дивергенцию (с учетом
симметричности
),
получим:
(17)
Наконец, подставим в (12) фигурирующие там производные по времени из (5), (7—8) и (17), причем частную (при постоянных р и S) производную от Е выразим через полную производную согласно:
После ряда преобразований (выделения полных дивергенций) получим в результате:
(18)
где
и связано с
формулой:
(19)
а давление введено согласно термодинамическому определению:
(20)
(
—
термодинамический потенциал единицы
объема вещества); как и должно было
быть, им определяется изотропная часть
тензора напряжений.
Сравнив (18) с уравнением сохранения энергии (11), мы видим, что
(21)
Эта
функция определяет вызванное диссипативными
процессами увеличение энтропии. Ясно
поэтому, что введенный в (19) тензор
представляет
собой диссипативную («вязкую») часть
тензора напряжений. Тензор же
в
(21) не входит; он представляет собой
недиссипативную (помимо связанной с
давлением) часть тензора напряжений ),
специфическую для нематической (в
отличие от обычной) жидкости.
Обратим
также внимание на то, что в диссипативную
функцию не входит коэффициент
.Хотя
описываемый этим безразмерным
коэффициентом эффект имеет явно
кинетическую (а не термодинамическую)
природу, он не диссипативен ).
Плотность объемных сил в движущейся нематической среде:
В неподвижной равновесной (хотя и деформированной) среде F' = 0, а согласно условию равновесия и h = 0. Согласно (14-15) при этом сила:
Если
считать модули упругости постоянными,
не зависящими от р и S
величинами, то
и
тогда сила F
=
Но
в равновесии должно быть также и F
= 0.
Отсюда следует, что (в указанном предположении) распределение давления вдоль находящейся в равновесии нематической среды дается формулой ):
(22)
Произведем
теперь в явном виде упомянутую выше
операцию симметризации тензора
.
Прежде всего, вычислим в явном виде
антисимметричную часть этого тензора.
При вычислении разности
надо
учесть, что выражение:
симметрично
по индексам i,
k.
Проверить
эту симметрию непосредственно
нелегко. Проще сделать это косвенным
путем, воспользовавшись тем, что
энергия Ed
—
скаляр и тем самым инвариантна
относительно произвольных вращений
системы координат. При бесконечно
малом повороте на угол
координаты
преобразуются как
т.е.
Для изменения вектора n и тензора dkni имеем соответственно:
Инвариантность
функции Еd
при
этом повороте означает, что
.
Поскольку
—
произвольный антисимметричный тензор,
то отсюда следует, что
—
симметричный тензор, что и требовалось
доказать.
Имея
это в виду, легко привести антисимметричную
часть тензора
к виду с тензором:
После
этого симметризованный тензор
получается непосредственно по формуле
. После некоторых приведений получим:
(23)
Отметим,
что это выражение фактически содержит
только поперечные (по индексу k)
компоненты
тензора
.
Если
представить последний в виде:
(так
что)
,
то в (23) останутся только члены с
.Наконец,
вернемся к членам с полными дивергенциями,
которые мы до сих пор не выписывали.
Сравнив (18) с (11), видим, что выражение,
стоящее под знаком div
в совокупности этих членов, определит
собой плотность потока энергии. Приведем
здесь получающийся таким образом
окончательный результат:
(24)
где W = р + Е — тепловая функция. Первый член совпадает с выражением потока энергии в гидродинамике обычной жидкости.
