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As variáveis termodinâmicas não possuem definições microscópicas em algum re- ferencial fora do equilíbrio, isto é, um “operador” que forneça um valor “local” dessas variáveis, ao contrário de 𝑇𝜇𝜈 e 𝑗𝜇. Para calcular os valores de (𝜖, 𝑝, 𝑛) fora do equilíbrio,

devemos levar em conta o seu deslocamento do ponto de equilíbrio, pelas relações abaixo

𝜀 = 𝜖(𝑇, 𝜇) + 𝑓𝜖(𝜕𝑇, 𝜕𝜇, 𝜕𝑢), (5.50)

𝒫 = 𝑝(𝑇, 𝜇) + 𝑓𝒫(𝜕𝑇, 𝜕𝜇, 𝜕𝑢), (5.51)

𝒩 = 𝑛(𝑇, 𝜇) + 𝑓𝒩(𝜕𝑇, 𝜕𝜇, 𝜕𝑢). (5.52) Onde 𝜖, 𝑝 e 𝑛 são definidos em alguma equação de estado em equilíbrio termodinâ- mico e seus valores fora do equilíbrio são 𝜀, 𝒫, 𝒩 , respectivamente. O 𝑢𝜇 é um autovetor do tipo tempo (Landau-Lifshitz) e não é afetado por variações de primeira ordem no equilíbrio (ISRAEL; STEWART, 1979b). Esse problema é contornado com a EFT, pois não inclui a dinâmica microscópica (ISRAEL; STEWART, 1979b).

Uma formulação relativística da hidrodinâmica acarreta alguns problemas na Ter- modinâmica. As equações dissipativas de primeira ordem levam a equações diferenciais parabólicas, como explicitada em5.47, e transportam informações a velocidade mais alta do que a luz, violando assim, o princípio da causalidade. Esse problema foi resolvido por Israel-Stewart ao inserir termos de segunda ordem no cálculo da corrente de entropia 𝑠𝜇

Capítulo 5. Navier-Stokes 65

interessados nas relações da equação de estado com as Lagrangeanas dissipativas em 5.15

e 5.33. No sistema hidrodinâmico relativístico a entropia no caso mais geral é

𝑠𝜇 = 𝑠𝜇𝑐𝑎𝑛+ 𝑠𝜇𝑐𝑜𝑟𝑟, (5.53) No sistema em equilíbrio (estado que não muda seus parâmetros intensivos e ex- tensivos com o tempo) a corrente de entropia canônica é 𝑠𝜇

𝑐𝑎𝑛 = 𝑠𝑢𝜇, sendo 𝑢𝜇 definido

como 3.11 e a densidade de entropia é independente dos parâmetros: viscosidade e fluxo de calor. Essa última afirmação, só é valida se a correção for linear, caso contrário fatores de segunda ordem deverão ser levados em conta (NONSTATIONARY. . ., 1976), e esse caso não sera abordado na dissertação e sim em trabalhos futuros.

É conhecido, desde a teoria cinética dos gases (GROOT; LEEUWEN; WEERT, ), que a entropia de um fluido fora do equilíbrio é modificada por um termo 𝑠𝜇

𝑐𝑜𝑟𝑟 (entropia

de correção). Essa correção em primeira ordem calculada no limite do regime hidrostático não existe, (ISRAEL; STEWART,1979a), quando 𝑢𝜇 é escolhido sobre aquelas condições de tal forma que 𝑢𝜇𝐸 ≈ 𝑢𝜇𝐿, então os efeitos de primeira ordem em torno do equilíbrio hidrostático são nulos

𝑢𝜇𝑢𝜆(𝑇𝜆𝜇− 𝑇(0)𝜆𝜇) = 0. (5.54) Onde 𝑇(0)𝜆𝜇 está em um estado de equilíbrio (referencial) e 𝑇𝜆𝜇 definido em um

estado levemente fora do equilíbrio (quase estacionário), e assim os efeitos de primeira ordem 𝑠𝜇(1) da entropia desaparecem 𝑢𝜇(𝑠

𝜇

(1)− 𝑠

𝜇

(0)) = 0 (NONSTATIONARY. . .,1976). A

𝑠𝜇𝑐𝑜𝑟𝑟 só é considerada em tensor energia-momento de segunda ordem ou mais, o que não é o caso até esse momento. A positividade da divergência na entropia de uma corrente fora de equilíbrio, 𝜕𝜇𝑠𝜇≥ 0, é uma observação física e universalmente garantida. Embora nosso

desejo seja expressar a teoria não linear da hidrodinâmica pela EFT por inteiro e associar suas simetrias com as do vetor corrente 𝑠𝜇

𝑐𝑜𝑟𝑟. Assumindo nosso tensor energia-momento

levemente fora do equilíbrio e aproximadamente conservado em primeira ordem como em

5.27, a entropia 𝑠𝜇 𝑐𝑎𝑛 é 𝑠𝜇𝑐𝑎𝑛 = 𝑝𝑢 𝜇 𝑇𝑢𝜈𝑇𝜇𝜈 𝑇 = 𝜖 + 𝑝 𝑇 + 𝑞𝜇 𝑇 . (5.55)

Note que a formulação covariante e convencional da termodinâmica apresentada acima prediz uma propagação instantânea das informações em sistemas dissipativos. Uma reformulação da entropia será apresentada no próximo capítulo. A temperatura e a entro- pia no sistema dissipativo de Navier-Stokes é obtida quando se faz o mesmo procedimento

utilizado em 3.15 e 3.16 nas equações5.28 e 5.29. A temperatura é 𝑇 = 𝑒𝑥𝑝 ⎧ ⎨ ⎩ ∫︁ (︃𝜕√2 𝐵𝐹 − 2𝐵𝜒′− 𝐵 3𝜕𝐵𝜒𝜕𝐵𝐹 − 𝐵 3𝜒 ′ )︃ 𝑑𝐵 + 𝑙𝑛𝒞 ⎫ ⎬ ⎭ , (5.56) e a entropia é 𝑠 = 1 𝑇 𝒞𝑒𝑥𝑝 {︃ −√𝐵𝜕𝐵𝐹 − 𝐵 3 2𝜒′) }︃ . (5.57)

Onde 𝒞 é uma constante adimensional e 𝜒′ =∑︀

𝑖,𝑗,𝑘

∑︀

𝑙≤𝑚[(𝑖 + 𝑗 + 𝑘)(¯𝑧𝑖𝑗𝑘′ + ¯𝑧𝑖𝑗𝑘) −

(𝐷𝑖𝑗𝑘,𝑙𝑚+ 𝐷𝑖𝑗𝑘,𝑙𝑚)]. Caso 𝜒′ seja igual a zero, chegamos nas mesmas relações termodinâ-

micas de um fluido ideal nas Eqs.3.15e3.16. Agora, iremos aplicar o divergente ao tensor fenomenológico de primeira ordem 4.6 para verificar a positividade da entropia

𝜕𝜇(𝑠𝑢𝜇) = 𝜁 𝑇(𝜕𝜇𝑢 𝜇 )2− 1 𝑇𝜕𝜇𝑞 𝜇 + 1 𝑇𝑢𝜈𝑢 𝜇 𝜕𝜇𝑞𝜈𝜂 𝑇𝑡 𝜇𝜈 𝜕𝜇𝑢𝜈 > 0. (5.58)

Podemos utilizar as relações termodinâmicas de5.30,5.39,5.43 e5.44 de maneira a restringir os valores de ¯𝑧𝑖𝑗𝑘′ e ¯𝑧𝑖𝑗𝑘, além de impor 𝜂 ≥ 0, 𝜁 ≥ 0 e uma densidade de

energia 𝜀 > 0. As restrições não fragilizam a teoria pelo fato de a própria derivação não

conceder a priori uma positividade na entropia. Relembre que as equações de movimento

estão sendo obtidas de uma Lagrangeana não unitária.

Exemplo

A positividade da entropia5.55 acontece quando a inequação abaixo é obedecida

𝜕𝜇(

𝑞𝜇

𝑇 ) ≥ 0. (5.59)

O valor de 𝑞𝜇obtido em5.30, juntamente com as aproximações 𝑢𝜇

𝑜+𝑙𝑣𝜇e 𝐵𝑜+𝑙Δ𝐵

concebem uma restrição para a validade da segunda lei da termodinâmica através de

𝜅(𝐵𝑜)𝜕𝜇(𝜕𝑖+ 𝜕𝑜)(Δ𝐵) + 𝛽(𝐵𝑜)𝜕𝑖𝜕𝑖Δ𝐵 ≥ 0. (5.60)

Sendo 𝛽(𝐵𝑜′) = 𝐵𝑜

3

∑︀

𝑖,𝑗,𝑘𝑖¯𝑧𝑖𝑗𝑘e 𝜅(𝐵𝑜) = 𝐵3𝑜 ∑︀𝑖,𝑗,𝑘(𝑖 + 𝑘)¯𝑧𝑖𝑗𝑘. É necessário impor

restrições a ¯𝑧𝑖𝑗𝑘′ e ¯𝑧𝑖𝑗𝑘 de maneira a assegurar a validade da equação acima. Vemos que

Δ𝐵 tem dependência temporal e espacial, já que a análise é feita em fluidos não relativís- tico. Com 𝜕𝑖𝑣𝑖 ̸= 0 o fluido não pode ser comprimido e isso implica que 𝐵 é dependente

temporalmente e espacialmente na relação 3.21. A falta de compressibilidade assegura a não conservação de entropia.

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6 Israel-Stewart

Apresentaremos, nesse capítulo, um importante resultado motivado, primeira- mente, pelas dificuldades encontradas na equação de NS em descrever a natureza. Uma maneira de regular essa divergência, proposta por Isarel e Stewart, gerou a primeira equa- ção relativística causal e estável da hidrodinâmica (ISRAEL; STEWART,1979a; NONS- TATIONARY. . .,1976), obtida por argumentos entrópicos fora do equilíbrio e chamada de equação de Israel-Stewart (IS). Viemos propor uma Lagrangeana fenomenológica através da EFT que possibilita formular os termos de primeira ordem e propor uma sistematiza- ção da própria construção da EFT na hidrodinâmica, e assim alcançar modelos de altas escalas (energia).

A equações de IS para o termo shear

𝜏𝜋𝜂Δ𝜅𝜇𝜁𝜈𝑢𝛼𝜕𝛼Π𝜅𝜁 + 𝜋𝜇𝜈 = 𝜎𝜂𝜇𝜈+ 𝒪((𝜕𝑢)

2), (6.1)

e o termo bulk

𝜏𝜋𝜁𝑢𝛼𝜕𝛼Π + Π = 𝜎𝜁+ 𝒪((𝜕𝑢)2). (6.2)

Onde 𝜎𝜂𝜇𝜈 e 𝜎𝜁são o termo shear e bulk de NS , respectivamente. Apenas a primeira

ordem da viscosidade de NS dada por 5.32 foi considerada e esses termos não homogê- neos dependem de valores fornecidos nas condições iniciais e os outros de ordem superior 𝒪((𝜕𝑢)2) serão desprezados. O 𝜏𝜂

𝜋 e 𝜏𝜋𝜁 são o tempo de relaxação associado a parte shear

e bulk de NS, respectivamente. Δ𝛼𝛽𝛾𝜆 ≡ (Δ𝛼𝛾Δ𝛽𝜆 + Δ𝛼𝜆Δ𝛽𝛾)/2 − 1/3Δ𝛼𝛽Δ𝛾𝜆. Sendo

𝜋𝜇𝜈 simétrico, transverso (𝑢

𝜇𝜋𝜇𝜈 = 0) e sem traço com 5 graus de liberdade novos (RO- MATSCHKE, 2010; KOVTUN, 2012). Π = Π

𝜇 𝜇

3 representa um novo grau de liberdade do termo bulk. O projetor Δ𝜅𝜇𝜁𝜈 mantém Π𝜇𝜈 ortogonal à velocidade 𝑢𝜇, devido ao termo

não homogêneo da equação 6.1ser a viscosidade shear enquanto a componente paralela á

𝑢𝜇 de Π𝜇𝜈 deverá ser mantida por causa da viscosidade bulk na equação6.2.

Quando os gradientes de pressão desaparecem na Eq. 5.41 de NS a corrente dis- sipativa relaxa instantaneamente ao seu estado estacionário o que é errado pela teoria molecular, pois as moléculas do fluido apresentam uma velocidade finita de transmissão. As Eqs. 6.1 e 6.2 foram “criadas” para resolver esse problema a partir de um ponto de vista fenomenológico, pois 𝜋𝜇𝜈 é uma extensão de NS no momento que essas correntes disspativas são promovidas a variáveis dinâmicas que relaxam por uma escala de tempo

𝜏𝜋 ̸= 0 (GRAD, ), se 𝜏𝜋 = 0, então 𝐼𝑆 = 𝑁 𝑆. O 𝜏𝜋 é uma condição necessária devido a

nenhum princípio fundamental da hidrodinâmica que obrigasse a inserção desse termo (ROMATSCHKE, 2010; DENICOL et al., 2011). A existência desse parâmetro pequeno é, também, entendida a partir da função espectral microscópica (DENICOL et al., 2011), mas isso acaba por ser altamente dependente de uma teoria microscópica.

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