質量守恆的微分表述——連續性方程(中)

2020-11-25 經典力學007

本系列文章分三篇,分別是《電荷守恆的微分表述》、《質量守恆的微分表述》、《守恆量的普遍微分表述、及其任意時空下推廣》。最重要是第三篇,為了更容易理解最後的推理,需要足夠了解前面兩部分內容。

本文主要是通過類比電荷的連續性方程推導過程,逐步導出質量守恆的微分表述。

前提條件:

1、質量守恆定律

2、非相對論

3、平直時空

4、把物質質量的流動看成連續介質模型,質量流動的速度和密度都是在空間坐標和時間上連續、可微。

質量守恆的微分形式推導

這裡我們採用類比推導,這種推理方法很實用、很重要,根據電流的連續性方程推導過程,類比導出質量的連續性方程。

首先,我們知道質量不能產生不能消失,只能跟隨著物質流動。

於是,可以假設在有物質流動空間內,任取一閉合曲面S,曲面內部包裹的體積為V,在dt時間內通過S向外淨流出(流入)的質量應等於同一段時間內S內質量的減少(增加)。

下面我們分三步計算——

1、計算質流通過S的表面流入的質量

先定義質流:單位時間通過某一面積的質量多少叫做質流。

質流——

N=△m/△t

其微觀表述微分為

N=i·dS

其中i是密度矢量。

這裡要說明一點,由愛因斯坦的狹義相對論,告訴我們質能方程,質量和能量成正比,所以這裡的質流能流等價,質流密度矢量能流密度矢量等價。

於是,可以把通過S面的總質量表示為

其中,負號的原因是流入,而i·ds代表的是流出。

高斯定律,把關於面積S的積分,變為體積分得

2、通過密度,計算S區域內,總質量的增加

閉合曲面S內,總質量為

其中ρ是密度,它是關於空間位置和時間的函數ρ(x,y,z,t)。

於是,曲面S內,總質量增加量

其中△t不含坐標參數,可以寫入積分裡面,再考慮△t很小很小,則

3、計算微分表達式

把上兩步的結果代入,質量守恆定律,得

兩邊都是關於體積分,去掉積分符號,移項,得

這就是質量守恆的微分形式,也是質流的連續性方程。

由定義可以推測 i=ρv,v是質流的速度,於是還可以寫成另一種較為普遍的表述:

其中,ρ為密度。

又因質能方程,兩邊同時乘以光速的平方,可以得能量守恆的連續性方程也是種形式——

其中,ρ為能量密度。

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