International research journal

Keywords: thermorheodynamics, stress, relaxation, microstructure, streaming processes. 
Введение 
Из-за большого разнообразия микроструктурных сред и их течений, возникает необходимость обобщения 
концепции континуальной термодинамики на микроструктурные среды и неравновесные процессы в открытых 
системах вдали от термодинамического равновесия. 
В отличие от линейной неравновесной термодинамики [1] проблема неравновесной термореодинамики заключается 
в количественном изучении нелинейных неравновесных процессов переноса в средах с переменной микроструктурой, 
которые даже в малом пространственно–временном масштабе могут находиться вдали от состояния равновесия.  
Решение проблемы следует искать в выработке основополагающих принципов, методов и подходов с позиций 
феноменологической и статистической термореодинамики [1], [2], с привлечением реологических методов, которые 
охватывают почти все аспекты изучения деформации сред под действием приложенных напряжений [3], [5].
Важнейшая задача проблемы состоит в замыкании закона сохранения баланса импульса применительно к 
исследованию явлений переноса в процессах полимерной химической технологии (получения, переработки, 
модификации), энергетики, транспорта и т.п. системах.
Исследования важны не только для установления общих закономерностей процессов переноса, протекающих в 
различных условиях переработки и применения полимерных систем. Завершая на некотором временном этапе процесс, 
можно получать структурируемые материалы с прогнозируемыми физико-химическими свойствами. Время 
технологического процесса при этом должно быть меньше внутренних временных параметров получаемой, 
перерабатываемой полимерной системы. 
Рассматриваемые в работе среды (растворы, расплавы естественных и синтетических полимеров и их смеси - 
топлива, сополимеры, нефти и т. п.) наделены сложной внутренней микроструктурой, вносящие в поток 
дополнительные напряжения, и вследствие этого имеют особые физико-механические (реологические) свойства.
Известно [3], [5], что даже в условиях базовых потоков, когда в тензоре скоростей деформаций присутствует лишь 
одна сдвиговая компонента, их механическое поведение определено измеряемыми в реометрических опытах нелинейно 
- вязкими и нелинейно - релаксационными свойствами. 
Наряду с касательными напряжениями сдвига среды с эластичной микроструктурой проявляют в этих опытах 
первую и вторую разности нормальных компонент девиатора тензора напряжений, релаксирующих к состоянию 
равновесия немгновенно и нелокально. Это запаздывающее явление необходимо учитывать, например, при 
определении скоростей неравновесных процессов в зависимости от внешних условий, геометрии потока. 
Для релаксационного класса сред и их систем при сдвиге преобладают внутримолекулярные искажения 
микроструктуры, то есть конформации с энтропийной релаксацией к состоянию равновесия малых кинетических 
сегментов (звеньев Куна, Рауза), связывающих между собой эластичные полимерные цепи [5], [6]. В связи с этим 

---

Международный научно-исследовательский журнал ▪ № 1 (103) ▪ Часть 1 ▪Январь 
31 
исследование термореодинамики сред с эластичной микроструктурой должно включать релаксационную зависимость 
переменных, определяющих энтропийное состояние системы.
В связи со сложным характером микроструктурного взаимодействия, в рассматриваемых средах, следуя [6] , 
целесообразно выделить две доминирующие микроструктуры, вполне отвечающие реологическому отклику среды на 
приложение силы. Нелинейно - вязкие свойства, то есть зависимость вязкости от скорости сдвига, связаны с 
ориентационной межмолекулярной структурой среды, а ее нелинейно - релаксационные свойства связаны с эластичной 
внутримолекулярной микроструктурой, проявляющееся в поле сдвиговых, энтропийных и диффузионных сил [6]. 
Процессы переноса в этих средах не могут быть описаны параболическими (мгновенными и локальными) 
уравнениями линейной неравновесной термодинамики [7], [8]. Проблема осложнена тем, что связанные между собой 
термодинамические параметры состояния подсистемы, в результате релаксационных явлений, с разной скоростью 
приходят в состояние локального равновесия. Поэтому перенос, например, импульса в средах с релаксационной 
микроструктурой не может быть определен только градиентом соответствующего термодинамического потенциала 
переноса. 
Термодинамика неравновесных процессов достаточно хорошо разработана для простых моделей среды, когда 
справедливы линейные связи между потоками и сопряженными с ними термодинамическими силами [1], [9]. 
Феноменологические связи при этом носят локальный и мгновенный характер, а их коэффициенты зависят только от 
локальных параметров состояния системы. 
Феноменологическая теория явлений переноса, основанная на принципах линейной неравновесной термодинамики, 
широко используется при исследовании процессов переноса в сплошных (бесструктурных) средах со свойствами 
вязкости, теплопроводности, диффузии вблизи их равновесия. Линейные реологические соотношения для переноса 
импульса, также тепла и массы, имеют характер мгновенного (без релаксационного временного запаздывания развития 
процесса) и локального отклика среды на внешние воздействия (вне зависимости состояния точки сплошной среды от 
релаксационного и тепломассообменного состояния точек ее ближайшего окружения). При исследовании 
неравновесных и необратимых (из-за производства энтропии) процессов переноса системы в целом предполагается, что 
связи между собой переменных состояния, подчиняются тем же соотношениям, что и для локально - равновесного 
состояния подсистемы. Допускается при этом, что переменные состояния неравновесной системы, в результате обмена 
между подсистемами энергией, импульсом, веществом, зависят от пространственных координат и времени. 
Аналогичный локально - равновесный принцип феноменологического подхода используется при изучении 
процессов переноса нелинейно-вязких сред с ориентационной микроструктурой. Для этих сред характерна жесткая 
межмолекулярная ориентационная микроструктура, которая формируется сдвиговыми деформациями системы. При 
исследовании процессов переноса пользуются различными опытными аппроксимациями, реологические соотношения 
которых позволяют учитывать зависимость вязкости от скорости сдвига, температуры и т. п. параметров возмущения 
системы [5], [10].
Основная цель работы состоит в том, чтобы с позиций неравновесной термореодинамики для доминирующего 
класса реологических сред с межмолекулярной ориентационной и внутримолекулярной релаксационной 
микроструктурой проанализировать их характерное кинематическое и динамическое поведение как базовый принцип 
для количественного исследования потоков в других практически важных условиях их неравновесного 
деформирования.