一维Lennard-Jones气体的热传导行为

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近几十年来,低维纳米材料和系统成为自然科学许多领域的研究前沿,其中,低维系统热传导行为研究是具有基础意义的研究课题。宏观三维材料的热传导由著名的傅里叶热传导定律描述,即热流正比于温度梯度:J=-k▽T,比例系数k为热传导率,是由材料性质决定的与材料尺寸无关的常数。这个定律在三维情况下早已被广泛验证,然而在低维系统中,虽然已经有一些初步的实验研究,但是实验精度还没有达到能给出明确结论的水平;而理论分析与数值模拟前期的研究都支持这样的预言:动量守恒的低维系统的热传导率随系统尺寸增长而增长,从而在热力学极限下发散。近年来,厦门大学复杂系统研究组提出了不同的观点,认为粒子间相互作用势的对称性对决定系统热输运行为具有关键作用,在相互作用势为非对称势的情况下,系统可能会表现出正常的热传导行为,热传导系数不依赖与系统尺寸。研究组已经进行了大量的研究,发现了许多确凿的例子,其中比较具有典型意义的是发现Lennard-Jones势一维晶格系统具有正常的热传导行为。本文的主要目的是研究Lennard-Jones势一维气体模型的热传导行为。研究手段主要采用平衡态下计算热流涨落关联函数的弛豫行为,并利用Green-Kubo公式计算热传导系数。为了验证所得到的结论,本文还将利用直接的非平衡数值模拟直接计算系统热传导系数对尺寸的依赖关系。本文的主要发现是Lennard-Jones势一维气体模型系统流关联衰减行为具有两个时间尺度,在非常短的尺度上首先经历快速的指数衰减过程,然后在大的时间尺度上经历指数衰减而趋于零关联。这不仅表明Lennard-Jones势一维气体具有正常的热传导行为,而且揭示了系统弛豫的准确过程。另外如果忽略了快速衰减过程,用Green-Kubo公式计算热传导系数就不会准确。为了理解背后的微观动力学机制,本文还研究了气体粒子碰撞的动力学,发现和研究了这一模型系统中的混沌散射、非完全弹性散射、弹性散射以及随碰撞能量的过渡过程。
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