Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field

Basic equations for description and modelling of electric, thermal and diffusion processes in multicomponent viscoelactic structures under presence of the external electric field are presented. The corresponding constitutive relations are analyzed. Сформульовано вихідні рівняння модельного опису еле...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології
Дата:2006
Автор: Jędrzejczyk-Kubik, J.
Формат: Стаття
Мова:Англійська
Опубліковано: Центр математичного моделювання Інституту прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України 2006
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20973
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field / J. Jędrzejczyk-Kubik // Фіз.-мат. моделювання та інформ. технології. — 2006. — Вип. 3. — С. 84-90. — Бібліогр.: 11 назв. — англ.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860258973253369856
author Jędrzejczyk-Kubik, J.
author_facet Jędrzejczyk-Kubik, J.
citation_txt Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field / J. Jędrzejczyk-Kubik // Фіз.-мат. моделювання та інформ. технології. — 2006. — Вип. 3. — С. 84-90. — Бібліогр.: 11 назв. — англ.
collection DSpace DC
container_title Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології
description Basic equations for description and modelling of electric, thermal and diffusion processes in multicomponent viscoelactic structures under presence of the external electric field are presented. The corresponding constitutive relations are analyzed. Сформульовано вихідні рівняння модельного опису електротермодифузійних процесів у n-компонентних в’язкопружних структурах за наявності зовнішнього електричного поля. Проведено аналіз отриманих визначальних співвідношень. Сформулированы исходные уравнения модельного описания электротермодиффузионных процессов в n-компонентных вязкоупругих структурах при наличии внешнего электрического поля. Проведен анализ полученных определяющих соотношений.
first_indexed 2025-12-07T18:52:47Z
format Article
fulltext Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field Jadwiga Jędrzejczyk-Kubik Doctor, Silesian University of Technology , Department of Theory of Structures, Chair of Theoretical Mechanics, 5 Akademicka st., PL-44-100, Gliwice, Poland, e-mail: jjedrzejczykkubik@poczta.onet.pl Basic equations for description and modelling of electric, thermal and diffusion processes in multicomponent viscoelactic structures under presence of the external electric field are presented. The corresponding constitutive relations are analyzed. Key words: multicomponent continua, constitutive equations, mechano-thermo- diffusion, electric field, viscoelasticity Introduction. We shall analyze a multicomponent continuous medium in which diffu- sive transport takes place being caused by both chemical potential gradient and by the action of electric field. In the medium there is a skeleton component of the mass density ρ0 which is one order higher than that for the remaining components ρ0 >> ρα, n,1=α . We shall treat this skeleton, as a viscoelastic body. The medium analyzed is in an electric field which generates ionization of the particular components of the medium and diffusive flow. Thus, the sources of mass appear as a result of the ionization and recombination processes. We shall also assume that the skeleton of the body is dielectric while the remaining components are the ions which diffuse with respect to this skeleton. The model of the medium assumed in this paper can serve, among others, for describing the transport of electrolyte, electrodiffusion in a body with capillary-porous structure, and in the description of electrochemical corrosion of reinforced concrete or the mass transfer processes in the plastics [4, 10, 11]. The starting point of our consideration is the system of balances for multicompo- nent mixture which is in the electric field. Within this range, we analyze the balance of mass, momentum, energy and inequality of entropy increase. The interaction of electric field generates Lorentz's force and electric polariza- tion which appear consequently as an additional body forces in the balance of momen- tum and energy. As the final result we obtain residual inequality which determines the trend of evolution of the electrodiffusive process. Taking into consideration the constitutive assumption we shall obtain the sought physical equations describing the process of thermal-electrodiffusion in viscoelastic body. УДК 393.3 84 ISSN 1816-1545 Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології 2006, вип. 3, 84-90 85 1. Balances of the process The equations of multicomponent simple mixture in the electromagnetic field are the starting point of our consideration. In these equations each component is cinematically equivalent, as opposed to diffusion, in which the migration of components in relation to the solid )0( =α gene- rally takes place; at the same time the mass density of the skeleton is one order higher than that of the migrating component αρ , n,1=α . The fields describing processes are as follows [1, 9]: ), tX(χx α α= rrr is function of motion of the particle αX r ; ),( tXχx rrr = is function of motion of the solid component in reference configuration ( 3,1,);,( =χ= KktXx Kkk ); t tXχv ∂ ∂ = αα α ),( vr r is velocity of particle αX r ; ),()),,((),( 0 1 0 txv t ttx t tXv rr rrrrr r = ∂ χχ∂ = ∂ χ∂ = − is Eulerian velocity of the solid com- ponent. (1) The mean velocity of the mixture and diffusion velocities are defined respectively as ∑ =α αα ≈ρ ρ = n iii vvw 0 01 , .3,1, =−= αα iwvu iii (2) In the classical notations the balance laws have the forms: • Conservation of mass ααα α =ρ+ ∂ ρ∂ Rv t ii ,)( , (3) where Rα is the mass supply of the constituent α. An index following a comma denotes the partial derivation and repeated Latin indicates are summed but not Greek indices. Let us sum up the components of the mixture considered. Then from (3) we obtain 0)( , =ρ+ ∂ ρ∂ iiw t , ∑ α α = 0R . (4) If we introduce the mass concentration of the α-th constituent αc defined as ρρ= αα /c , we will obtain another version of (3) ααα −=ρ iijRc ,& . (5) In the above equation, ααα ρ= ii uj denotes mass flux of the constituent α and )()()( o ro o gradw t ⋅+ ∂ ∂ = indicates material derivative following the motion wr . Jadwiga Jędrzejczyk-Kubik Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field 86 • Balance of momentum [1, 2] nEeFvvv t jijiiijjii ,1,)()( ,, =ασ+ρ+ρ+φ=ρ+ρ ∂ ∂ ααααααααααα ; 0 ,, 000 , 00000 )()( jijjjiiijjii PEFvvv t σ++ρ+φ=ρ+ρ ∂ ∂ , (6) where ααρ e is the charge density of α -th component, αφi is the momentum supply, α iF is body force density acting for the α -th constituent, ασij is partial stress tensor, iP is electric polarization per unit volume and iE is electric field. The terms iEeααρ and jji PE , on the right-hand side of this equation are the volume electric force. After summing up we obtain [6, 7] ∑ α αα +ρ+σ+ρ=ρ jjkklklkk PEEeFw ,,& . (7) Here ∑ α ααρ=ρ kk FF , ∑ α ασ=σ klkl . • Balance of energy [1, 2]. e n ii n jiijii hMjcMwqrU −−ρ+σ+−ρ=ρ ∑∑ =α αα =α α 1 , 1 ,, && . (8) In the above equation U is specific internal energy, iq is the heat flux, r is the heat supply, αM is chemical potential for the α -th constituent. The quantity eh is the electric energy source [2] given by ∑ α α πρ+= iiiie EEJh & , (9) where iπ is polarization per unit mass ρ=π /ii P . The complete set of balances of the process closes the inequality of the entropy increase. This inequality proposed in [2, 8] is taken in the following form 0 , 2 , ≥ ρ −−−ρ T rq T T T q S i iii& . (10) 2. Residual inequality Making use of the balance of energy (8) and inequality of entropy (10) we shall obtain the following residual inequality +−ρ+σ+ρ−ρ ∑∑ =α αα =α αα n ii n jiij MjcMwUST 1 , 1 , &&& 0 1 , ≥+πρ++ ∑ =α α n iiiii i EJEq T T & . (11) ISSN 1816-1545 Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології 2006, вип. 3, 84-90 87 In further considerations it is convenient to make use of function ρ−−= /kk PESTUA . Then residual inequality has the form +−ρ+σ+ρ−ρ− ∑∑ =α αα =α αα n ii n jiij MjcMwAST 1 , 1 , &&& 0 1 ' ≥+−+ ∑ =α α n iiiii i EJEPq T T & (12) Although descriptions of the coupled flow phenomena of interest are naturally posed in current configuration, numerical solutions of governing equations are more conveniently carried out on a fixed Lagrangian reference configuration. It is, therefore necessary to define the following material tensor field [3] kiiLkKKL XJXT σ= ,, , kkKK qJXQ ,= , kkKK PJX ,=Π , αα = kkKK JJXJ , , LkKkKL xxC ,,= , KkkK xTT ,,, = , KkkK xEE ,= , KkxJ ,det= , αα = kkKK jJXj , , KkkK xMM ,,, = . (13) The residual inequality in terms of the material field can be written as −ρ++++ρ− ∑ =α αα n KKKLKLE cMTQ T CTTSA 1 ,0 1 2 1)( &&&& 0 1 1 , ≥+Π−− ∑ ∑ =α =α ααα n KKKKKK EJEMj & , (14) where klElLkKKLE XJXT σ= ,, , kkklklE EP+σ=σ . Inequality (14) is the significant importance for defining physical equations of thermo- diffusion. 3. Constitutive equations Let us now define the process by history Λ { } ααα α −=−=Θ Θ=Λ 00 , )(),(),(),( cccTT scsEsEs KJK T . Here 2)( KLKLKJ CE δ−= is the Lagrangian tensor deformation, Θ and c denotes the increment of the temperature and of the concentration, respectively. We make the following constitutive assumptions [ ])();( 0 tstA s Λ−Λρ=ρ ∞ = A (15) Jadwiga Jędrzejczyk-Kubik Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field 88 from which we obtain physical equations [ ],)();( 0 E tstT s IJIJ Λ−Λ= ∞ = J [ ])();( 0 tstS s Λ−Λ= ∞ = G , [ ])();( 0 tst s IiI Λ−Λ=Π ∞ = D , [ ])( 0 stTq s ii −∇= ∞ = Q , [ ])( 0 stMj s ii −∇= α ∞ = αα J , ∑ α αα= ii jeJ . (16) Then the present set of equations has the form partly close to the equations of viscoelasticity and thermodiffusion. Changes appear, however, when defining the flux of mass. In the simplest case, the flux of ions is defined by equation ( ) αααα ∞ = ααα −≈−∇= jij s ii MeDstMeJ , 0 )(J , αα α α α α ∑∑ −== jijii MeDJJ , , (17) or in an isotropic case ∑ ∑ α α αααααααα −==−= iiiii MeDJJMeDJ ,, , . (18) Confining ourselves to the linear problems, we approximate the functional Aρ only by the linear and square functionals of the form [5] −ητ η∂ η∂ τ∂ τ∂ −τ−+ +τ τ∂ τ∂ τ−+τ τ∂ τ∂ τ−+ +τ τ∂ τΘ∂ τ−−τ τ∂ τ∂ τ−+ρ=ρ ∫ ∫ ∫∑ ∫ ∫∫ ∞− ∞− ∞−α ∞− α ∞−∞− ddEEnttG dEtLdctL dtLdEtLAA t KLKL t IJKL I t I t t KL t KL )()(),( 2 1 )()()()( )()()()( 43 21 0 +ητ η∂ ηΘ∂ τ∂ τ∂ η−τ−Φ− ∫ ∫ ∞− ∞− ddEtt t t IJ IJ )()(),( ∑ ∫ ∫ α α ∞− ∞− α −ητ η∂ η∂ τ∂ τ∂ η−τ−ψ− ddcEtt t t IJ IJ )()(),( +ητ η∂ η∂ τ∂ τ∂ η−τ−− ∫ ∫ ∞− ∞− ddEEttA K t t IJ IJK )()(),( −ητ η∂ ηΘ∂ τ∂ τΘ∂ η−τ−− ∫ ∫ ∞− ∞− ddttm t t )()(),( 2 1 ISSN 1816-1545 Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології 2006, вип. 3, 84-90 89 −ητ η∂ η∂ τ∂ τΘ∂ η−τ−− +ητ η∂ η∂ τ∂ τΘ∂ η−τ−− ∫ ∫ ∑ ∫ ∫ ∞− ∞− α α ∞− ∞− α ddEttR ddcttl K t t K t t )()(),( )()( ),( ∑ ∫ ∫ ∑ ∫ ∫ α ∞− ∞− α α α α ∞− ∞− α α +ητ η∂ η∂ τ∂ τ∂ η−τ−+ +ητ η∂ η∂ τ∂ τ∂ η−τ−+ ddEcttC ddccttn K t t K t t )()(),( )()(),( 2 1 )(0)()(),( 2 1 2ε+ητ η∂ η∂ τ∂ τ∂ η−τ−+ ∫ ∫ ∞− ∞− ddEEttW L t t K KL . (19) Here ),,(),,(),,(),,(),,(),(),(),(),( 4321 ητητητψητΦητττττ α mAGLLLL IJKIJIJIJKLIIJ ),( ηταl , ),(),,(),,(),,( ητητητητ αα KLII WnCR are the relaxation functions, which de- termine physical properties of the material. These functions are continuous for 0,0 ≥η≥τ and disappear for 0<τ and 0<η . Let us introduce the functional (19) into the inequality (16). After transformation we obtain the following set of the constitutive equations for: • stress tensor −ττΘτ−Φ−τττ−+= ∫ ∫ dtdEtGLtT t t IJKLIJKLIJIJE )(),0()()0,()0()( 0 0 1 && τττ−Λ−τττ−ψ− ∫∑∫ α α α dEtdct K t IJK t IJ )(),0()(),0( 00 && ; (20) • entropy +τττ−Φ+ττΘτ−+= ∫ ∫ dEtdtmLtS IJ t t IJ )()0,()()0,()0()( 0 0 2 & τττ−+τττ−+ ∫∑∫ α α α dEtRdctl I t I t )(),0()(),0( 00 && ; (21) • chemical potential −τττ−ψ+τττ−+= ∫ ∫ααα dEtdctnLtM IJ t t IJ )()0,()()0,()0()( 0 0 3 && τττ−+ττΘτ−− ∫∫ αα dEtCdtl I t I t )(),0()()0,( 00 && ; (22) Jadwiga Jędrzejczyk-Kubik Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field 90 • electric polarization −τττ−−τττ−+Π=Π ∫ ∫ dEtAdEtWLt JK t t IJKJIJII )()0,()()0,()0(4)( 0 0 4 && ∑∫∫ α αα τττ−+ττΘτ−− dctCdtR tt )()0,()()0,( 00 && . (23) The suggested set of equations is the simplest description of the diffusive flows in the electric field. References [1] Bowen R. M. Diffusion model by implied by the theory of mixtures in rational thermody- namics, ed. C. Truesdell. — New York: Springer-Verlag, 1984. — 578 p. [2] Eringen A. C. A mixture theory of electromagnetism and superconductivity // Int. J. Engng. Sci. — 1998. — Vol. 36, № 5/6. — P. 525-543. [3] Eringen A. C., Maugin G. A. Electrodynamics of continua I, II. — New York: Springer- Verlag, 1990. — 753 p. [4] Hladik J. Physics of electrolytes. Transport processes in solid electrolytes and electrodes. — London: Academic Press, 1972. [5] Karnauhov V. G., Kirichok I. F. Elektrotermo-vyazkouprugost. — K.: Nauk. dumka, 1988. — 319 p. (in Russian). [6] Kubik J. Thermodiffusion in Viscoelastic Solids // Studia Geotechnica et Mechanica — 1986. — Vol. 8, № 2. — P. 29-47. [7] Kubik J. The correspondencr between equations of thermodiffusion and theory of mixtu- res // Acta Mech. — 1987. — Vol. 70 — P. 51-56. [8] Muller I, Ruggeri T. Extended Thermodynamics. — New York: Springer-Verlag, 1993. [9] Wilmański K. Lagrangean Model of Two-Phase Porous Material // J. Non-Equilib. Ther- modyn. — 1995. — Vol. 20. — P. 50-77. [10] Zybura A. The degradation of reinforced concrete in corrosive conditions // Zeszyty Nauk. Pol. Śl. — 1990. — № 1096. — P. 157. (in Polish). [11] Бурак Я. Й. Вибрані праці. — Львів: ЦММ ІППММ ім. Я. С.Підстригача НАН України, 2001. — 352 с. В’язкопружність і термодифузія в електричному полі Ядвіґа Єнджейчик-Кубік Сформульовано вихідні рівняння модельного опису електротермодифузійних процесів у n-компонентних в’язкопружних структурах за наявності зовнішнього електричного поля. Проведено аналіз отриманих визначальних співвідношень. Вязкоупругость и термодиффузия в электрическом поле Ядвига Єнджейчык-Кубик Сформулированы исходные уравнения модельного описания электротермодиффузионных процессов в n-компонентных вязкоупругих структурах при наличии внешнего электричес- кого поля. Проведен анализ полученных определяющих соотношений. Отримано 15.02.06
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20973
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1816-1545
language English
last_indexed 2025-12-07T18:52:47Z
publishDate 2006
publisher Центр математичного моделювання Інституту прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України
record_format dspace
spelling Jędrzejczyk-Kubik, J.
2011-06-13T18:44:06Z
2011-06-13T18:44:06Z
2006
Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field / J. Jędrzejczyk-Kubik // Фіз.-мат. моделювання та інформ. технології. — 2006. — Вип. 3. — С. 84-90. — Бібліогр.: 11 назв. — англ.
1816-1545
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20973
393.3
Basic equations for description and modelling of electric, thermal and diffusion processes in multicomponent viscoelactic structures under presence of the external electric field are presented. The corresponding constitutive relations are analyzed.
Сформульовано вихідні рівняння модельного опису електротермодифузійних процесів у n-компонентних в’язкопружних структурах за наявності зовнішнього електричного поля. Проведено аналіз отриманих визначальних співвідношень.
Сформулированы исходные уравнения модельного описания электротермодиффузионных процессов в n-компонентных вязкоупругих структурах при наличии внешнего электрического поля. Проведен анализ полученных определяющих соотношений.
en
Центр математичного моделювання Інституту прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України
Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології
Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field
Вязкоупругость и термодиффузия в электрическом поле
В’язкопружність і термодифузія в електричному полі
Article
published earlier
spellingShingle Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field
Jędrzejczyk-Kubik, J.
title Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field
title_alt Вязкоупругость и термодиффузия в электрическом поле
В’язкопружність і термодифузія в електричному полі
title_full Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field
title_fullStr Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field
title_full_unstemmed Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field
title_short Viscoelasticity and Thermodiffusion in Electric Field
title_sort viscoelasticity and thermodiffusion in electric field
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20973
work_keys_str_mv AT jedrzejczykkubikj viscoelasticityandthermodiffusioninelectricfield
AT jedrzejczykkubikj vâzkouprugostʹitermodiffuziâvélektričeskompole
AT jedrzejczykkubikj vâzkopružnístʹítermodifuzíâvelektričnomupolí