The Mathematical Theory of Dilute Gases (Applied Mathematical Sciences)

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出版者:Springer
作者:Carlo Cercignani
出品人:
页数:356
译者:
出版时间:1994-09-29
价格:USD 129.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780387942940
丛书系列:Applied Mathematical Sciences
图书标签:
  • 数学
  • 分析
  • Mathematical Physics
  • Statistical Mechanics
  • Gas Dynamics
  • Kinetic Theory
  • Partial Differential Equations
  • Fluid Dynamics
  • Transport Phenomena
  • Applied Mathematics
  • Physics
  • Engineering
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具体描述

This book is devoted to the presentation of rigorous mathematical results in the kinetic theory of a gas of hard spheres. Recent developments as well as classical results are presented in a unified way, such that the book should become the standard reference on the subject. There is no such book available at present. The reader will find a systematic treatment of the main mathematical results, a discussion of open problems, and a guide to the existing literature. There is a rigorous and comprehensive presentation of strict validation of the Boltzmann equations, global existence theory, and the fluid-dynamical limits. The authors also review and discuss classical derivation and properties of the Boltzmann equation, particle simulation methods, and boundary conditions.

统计物理学在流体力学中的应用:复杂系统中的动力学行为 图书简介 本书深入探讨了统计物理学原理如何应用于理解和描述复杂流体系统的宏观动力学行为,特别是那些远离平衡态的系统。尽管名称没有直接提及稀薄气体,本书的核心思想是构建一个统一的理论框架,用以分析微观分子相互作用如何涌现出宏观的、可观测的输运现象和结构演化。 本书聚焦于非平衡态统计力学的前沿进展,旨在弥合微观动力学模型(如玻尔兹曼方程的更高阶近似)与宏观连续介质描述(如Navier-Stokes方程)之间的鸿沟。它为读者提供了一套严谨的数学工具和物理直觉,以处理跨越不同尺度和时间尺度的复杂系统,包括但远不限于高密度、强相互作用或具有内在几何约束的介质。 --- 第一部分:基础理论的重构与扩展 本书的第一部分首先回顾了经典统计力学和非平衡态热力学的基本公设,但迅速转向对涨落动力学和动力学相变的深入分析。我们不再将系统视为处于局部平衡态的简单介质,而是强调系统如何通过随机过程和能量耗散来探索其相空间。 1. 涨落与耗散的耦合: 详细阐述了 Onsager 倒易关系在非平衡态下的推广形式,并引入了介观理论 (Mesoscopic Theory) 的视角。这部分内容着重于如何通过微观动力学的演化方程(如Langevin方程或Fokker-Planck方程)来精确计算输运系数,而不是仅仅依赖于宏观的线性响应理论。我们探讨了在小尺度效应显著时,标准输运理论失效的精确条件。 2. 广义流体力学方程的推导: 传统上,流体力学方程(如质量、动量和能量守恒)是通过对玻尔兹曼方程进行矩展开得到的。本书采用了更为严格的Chapman-Enskog 展开的更高阶修正,特别是引入了超前项 (Super-leading Order Terms) 来修正经典的热力学假设。这对于描述具有显著速度梯度或温度梯度的非均匀系统至关重要。特别地,我们分析了具有剪切速率依赖粘性 (Shear-rate Dependent Viscosity) 的物质,这在研究高分子溶液或复杂悬浮液的流动时是必需的。 3. 动理学与流变学的桥梁: 本部分的一个核心贡献在于建立了描述复杂流体本构关系 (Constitutive Relations) 的统计物理基础。我们利用密度矩阵理论 (Density Matrix Theory) 的方法,研究了分子间的集体效应如何转化为宏观的应力张量。这包括对非牛顿流体 (Non-Newtonian Fluids) 中应力张量与应变率之间复杂非线性关系的微观解释,例如剪切变稀和剪切增稠现象的统计力学起源。 --- 第二部分:复杂几何与边界条件下的动力学 本部分将理论框架应用于处理具有复杂边界或内部结构(如多孔介质、复杂网络结构或界面)的系统。这要求我们将传统的均匀介质假设彻底抛弃。 4. 多尺度建模与界面效应: 深入讨论了界面动力学,特别是当流体与固体表面发生相互作用时,如何从分子尺度(如润湿性、吸附/脱附动力学)过渡到宏观的流动行为。内容涵盖了接触线动力学 (Contact Line Dynamics) 的统计模型,以及在纳米尺度流体通道中,由于滑移边界条件 (Slip Boundary Conditions) 的存在,如何修正标准的 Hagen-Poiseuille 流动模型。 5. 介孔和多孔介质中的输运: 在描述流体通过随机或有序多孔介质(如土壤、催化剂载体)的流动时,传统的达西定律(Darcy's Law)需要更精细的修正。本书采用有效介质理论 (Effective Medium Theory, EMT) 和随机几何方法,分析了孔隙结构对渗透率和扩散系数的影响。我们关注的重点是路径依赖性 (Path Dependence) 和非均匀性 (Heterogeneity) 如何导致宏观流量的非线性响应和迟滞现象。 6. 湍流的统计描述: 湍流,作为非平衡系统的极端例子,需要超越平均场理论的描述。本书采用涡旋动力学 (Vortex Dynamics) 的视角,结合卡尔曼滤波理论 (Kolmogorov’s Cascade Theory) 的现代统计诠释,来描述能量在不同尺度涡旋之间的传递。讨论了统计重整化群 (Statistical Renormalization Group) 在分析湍流谱结构中的应用,重点在于如何量化湍流中的尺度不变性 (Scale Invariance) 和统计各向异性 (Statistical Anisotropy)。 --- 第三部分:非线性动力学与稳定性分析 最后一部分转向了系统对微扰的响应,以及系统如何演化到新的、稳定的或周期性的非平衡态结构。 7. 稳定性判据与超临界现象: 系统地介绍了非平衡态系统中的稳定性分析。我们使用李雅普诺夫函数 (Lyapunov Functionals) 来确定系统偏离平衡态的临界条件,并分析了布拉格-开尔文不稳定性 (Bragg-Kelvin Instability) 和瑞利-泰勒不稳定性 (Rayleigh-Taylor Instability) 的统计起源。这部分内容对于理解结构自发形成(如晶体生长或图案形成)至关重要。 8. 耗散结构与远非平衡态: 本书最后探讨了耗散结构 (Dissipative Structures) 的形成机制,这是远离平衡态的显著特征。通过引入非平衡态热力学第二定律的推广形式(如Prigogine的最小熵产生原理的适用范围),分析了系统如何在远离热力学平衡时,通过能量和物质的持续交换,自发地形成有序的宏观结构,例如振荡反应或空间图案的形成。 总结 本书为高级研究生和研究人员提供了一部严谨的参考资料,它超越了传统热力学和简单流体模型范畴,专注于利用现代统计物理工具解决实际工程和自然科学中遇到的复杂流体系统问题。全书的重点在于建立从微观分子动力学到宏观复杂流变学行为的无缝且可量化的数学连接。

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《稀薄气体数学理论》这个书名,在我看来,不仅仅是一个学术著作的标识,更像是一个邀请,邀请我去探索一个充满数学之美的世界。稀薄气体,这个概念本身就蕴含着一种“少即是多”的智慧——通过简化,我们能够更容易地理解更普遍的物理现象。我一直着迷于物理学中如何利用数学语言来描述自然界的规律,而稀薄气体的研究正是这一过程的典范。我很好奇,书中会如何从最基本的物理假设出发,运用微积分、微分方程、概率论等数学工具,构建起一套能够精确描述气体宏观性质的理论框架。书中是否会深入探讨像玻尔兹曼方程这样的核心概念,它是如何捕捉到气体分子动力学演化的精髓的?我特别想知道,作者是如何将微观的粒子行为与宏观的可观测量的联系建立起来的,比如压力是如何从粒子碰撞的动量变化中涌现出来的?“应用数学科学”这个副标题,则让我对这本书的实践意义充满了期待。我希望它能提供一些具体的数学方法,用于解决工程、环境科学甚至天体物理学等领域中的实际问题。这本书的书名就像一个引子,点燃了我对理解气体世界背后数学逻辑的强烈渴望。

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这是一本让我思考了很久的书。书名《稀薄气体数学理论》一下子就抓住了我的注意力,因为它触及了我内心深处对“秩序从混沌中诞生”的好奇。想象一下,无数个微小的粒子,在看似随机的运动中,却能组合成我们日常生活中司空见惯的宏观现象——比如风的吹拂,或者气球的膨胀。我一直觉得,这种从微观个体行为映射到宏观整体规律的转换,是科学中最令人惊叹的部分。这本书的名字暗示着它会深入到这个转化的数学层面,去解释这些规律是如何被严谨地推导出来的。我很好奇,书中会不会涉及一些经典的数学工具,比如概率论、统计学,甚至是微分方程,来描述粒子的运动和碰撞。更重要的是,它是否会展示如何从这些微观的数学模型中,构建出描述气体宏观性质(如压力、温度、密度)的方程组。副标题“应用数学科学”更是让我对这本书的实用性充满期待。我希望它不仅仅停留在理论推导,而是能提供一些实际应用的例子,比如在流体力学、热力学或者大气科学中,这些理论是如何被用来解决具体问题的。这本书的书名仿佛是一扇门,通往理解我们周围世界背后隐藏的数学秩序的殿堂。

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对于我这样一个对抽象数学概念和物理规律之间联系充满好奇的人来说,《稀薄气体数学理论》这个书名无疑是一剂强烈的吸引。它勾勒出了一个研究领域,在这个领域中,看似杂乱无章的粒子运动,却遵循着精确而优雅的数学法则。稀薄气体这一特定对象,在理论上提供了一个理想化的研究框架,它允许我们通过数学工具来捕捉并解释从微观粒子交互到宏观气体行为的涌现过程。我非常期待书中能够深入探讨统计力学在理解稀薄气体性质方面的作用,以及如何通过概率分布和平均量来描述宏观属性。我想知道,书中是否会涉及像玻尔兹曼方程这样的核心理论,它是如何描述气体分子分布函数的演化的?同时,"Applied Mathematical Sciences" 副标题的出现,让我对这本书的潜在应用价值倍感兴趣。我猜测,书中可能不仅仅停留在理论层面,还会涉及一些具体的数学模型,用于分析和解决工程、环境科学等领域的实际问题。例如,在模拟气流、理解扩散过程或者研究真空技术等方面,这些数学理论会如何发挥作用?这本书的书名本身就充满了科学探索的魅力,引人想要深入其中,揭开稀薄气体背后隐藏的数学智慧。

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这本书的书名就足以让人产生无限遐想。我一直对物质的宏观行为如何从微观粒子动力学中涌现出其规律感到着迷,而“稀薄气体”这个词本身就指向了一个既基础又充满挑战的领域。它让我想象着那些微小的、自由穿梭的分子,它们之间的碰撞是如此的稀疏,以至于我们可以忽略它们的相互作用,只关注它们各自的运动轨迹。这种简化往往是物理学中最强大的工具之一,它能让我们窥探到复杂现象背后的简洁原理。我很好奇作者会如何从这些基本的粒子动力学出发,一步步构建起描述气体宏观性质的数学理论。我会期待书中是否会探讨诸如粘滞性、热传导、扩散等概念,以及这些概念是如何在统计力学的框架下被精确定义的。同时,"Applied Mathematical Sciences" 这个副标题也暗示了这本书不仅仅是理论上的探讨,而是可能包含着解决实际问题的数学模型和方法。我特别想知道,这些理论在工程、航空航天或者材料科学等领域是如何应用的,书中是否会有相关的案例分析或者方法论的介绍。这本书的书名本身就勾勒出了一幅严谨而又充满探索性的学术图景,让我迫不及待地想翻开它,去理解那些看不见却又无处不在的气体世界背后的数学奥秘。

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这本书的书名,《稀薄气体数学理论》,立刻在我脑海中勾勒出一幅清晰的画面:微小的粒子在广阔的空间中自由穿行,它们的碰撞虽不频繁,却构成了气体宏观性质的基石。这让我联想到科学研究中最迷人的部分之一——如何从个体行为的复杂性中提炼出普遍的、可预测的规律。稀薄气体作为一个理想化的模型,无疑是探索这一过程的绝佳载体。我迫不及待地想知道,作者会如何运用数学工具,从描述粒子运动的动力学方程出发,逐步推导出描述气体宏观行为(如压强、温度、熵等)的数学模型。书中是否会深入讲解像统计力学、随机过程等数学分支在这一领域的应用?我尤其好奇,书中是否会涉及如何通过数学方法来刻画和预测稀薄气体的输运现象,比如粘度、热导率和扩散率等。副标题“应用数学科学”则进一步拓宽了我的想象空间。我希望这本书能展示这些抽象的数学理论如何在实际问题中得到应用,或许是在航空航天领域的空气动力学分析,或者是真空技术中的气体行为模拟。这本书的书名本身就传递了一种严谨求实、充满探索精神的学术气息,让我对其中蕴含的知识充满期待。

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