TUM 2012
The Entropy Principle
and its Mathematical Impact
Hans Wilhelm Alt (TU M¨ unchen, Germany)
Contains:
• The history of the Second Law of Thermodynamics
• The distributional Entropy Principle ∂ t H + divΨ ≥ 0
• Example: Collision of two masses
• Example: Hyperbolic shock waves
• Example: Surface tension
! " #$% #$ % #&' ( ) * + * , $
- ./ 0 1 2 3 4 5 6 17 3 .89 :; < " = > #$ ? @
A B C DAEFG H I J K LI MN A O P M QN R ST U
" #% VW " XY 5 " Z = [ = % 5 \ " = [ ] \ ^ 5 @ [ #&% &
_ ` 5 ^ [ a&&b $ ^ [ " #$% [ ^ c % 5 d "
[ e f#&g h #& 5 \ #8i j k \ lm % 5 #$5 n o % Z p % \
" #$ q r = = s 1tu & v w x #& % y ` 3 $ z { [ |
} 5 ~ # " #% #$ % 5 .5 \ #$5 = [ 1 2 3 1 3 5 \ 1 3 \
5 ^ % ^ [ & " ' ' ^ d 5 [ 5
? 5 #& \ #$5 1 3 5 \ 1 3 5 #&5 ' #\ $
[ ^ [ Y #& ` #& [ \ 5 #$% #&5 % ^
5 #& % 5 % 5 \ " # \ ^ = g ' & = [ #& =
" #% # ^ #5 1 3 ¡ & ¢ i £ \ ^ 5 [ #&% = #¤ ' ¥
{ % " ' 5 = #¦[ § 5 ¨ % #©' #ª
« 5 ¬^ ®¦m 5 ^ \ ¯ # 5 ' #° ¬ ' #±
² 5 [ 5 " ³% [ ^ % % ³5 ¬\ ´ ^ £ µ = % ¶ · #± j
¸
5 ^ \ ? ¹ 5 #&5 º » 5 ¼$ #& " #% ? % #$½
# ¾ ' # 5 5 " ¿ " # 1 3 5 \ 1 3 À5 = [ Á #°% #$
[ Â ¹ = \ % # #$ 5 = ^ Ã #°5 " #$% Ä \ 5 ¼$ V Å
c 5 ¬' #$ 1 % Æ 5 \ 5 j ^ % 5 Ç\ ¸ \ #$5
È ' ³ ? É 3 % 5 #$5 = Ê 5 % #° = % Ë % \ ³5 $ ÌÍ
Î #$ Ï
ÐÑ ÒÒ Ó ÔÕ ¸Ö
S× Ø
AÙAlÚÛ ÜÜ Ý Þß à á âã äA å Sæ Ø
ç
è
éAêëì¦Ú ÜÜ í A î Sï ð
Û
" ñ ¬ª ´ 5 ò ^ 5 #& [ ó ª ô áõ öã ö ´ · ÷ ø ù ; " ú
5 #û 5 \ 5 ³ #[ 5 \ ü 5 ^ % q j 5 ý¸þ
! " # $ % & ' ( ) * + , '- ! " # . / 0 1 2 ( + / 3 & 4
5 5 6 7 8 9: ; < 6 < = > ? 7 @: 5 ABC D> E 6 F < G > 7 H 6 I J : K L @5 M 6 N > 5 O : P: < 7 6 I Q R > S6 T
O U V W O 5 7 6 X 5 6 Y Z[5 X V X \> U ] ^ X <_ < > S` U 5 < a6 U $ b < c > > U < 7 6 d V 6 S < c > XJ X < > e b
f g Ph c c O X i c > S6 jj6 k Z[U ; Y 7 6 Y > 7 < 9> X [
c > l m 7 Z[O < no U 6 p < q > > U <7 o r V I $ e O V s > t 7 Zu< <> U O X < c > X Q e o S < t 6
< > 7 e X v w x yz v {| } v ~| b
f c > 7 > I {$ X < c > > U < 7o d V X Q Y Y Z[> I < o < c > X V X <> e s Zu<X X Q 7 7 o Q U I ZuU ; X b K U I
I $ < c > > U < 7 o Y V Y 7 o 8 Q 5 > I aU X ZI > < c > X V < > e [ = > X > 5 o U I jO t o S < c > 7 e o
I J U O e Z X < O < > = O < I W Q X > > 7 6 7 7 > > 7 X n j> o 7 > Q js 7 Q L
< 7 K U X So 7 e K < @o U X ¡ I Y o X Z[¢ @£ ¤ So ¥ Z[7 7 > £ > 7 X Zs j> < 7 O U X So 7 e O <Z[o U ¦ o S < c >
X V X < > e u v §| ¨ © [ ª «
¬ c > U 7 o Y V X Q Y Y jZ> I b I {$ b o U <c > o < c > ¥ c O U I W O V s > Y o X Z[<Zl > b > 7o o 7
U > ; K < ®[l > ¯ I > ° ± U I Z[U ² o U < ³ ´ µU < > 7 O 5 < Zo U o p < c > X V X <> e t Z[<c a< X X Q 7
7 o Q U ¶ U ; X u · ³ Q X ¸o 7 K ¡ O I O s K < @R ¹ jV ZU X Q jO < º I X V X < º e 3»[% O X V X < > e
¼
f c Z½5 c 5 O U¾ ± ¿ 5 À K U ; Á Â > @<c > 7 c > O < U o ¥ U Ã K < > 7 t Ä< c Z[ÅÆX X Q 7 7 o Ç U I U È X
I {$ ZÉ > Ê Q O j <o > Ë o Ì K U I µ Í So jjo t X S ¥ o W Î Ï K U I Ð Í c O <
v Ñ Ò Ó ÔÕ Ö × Ø O Ù ÚO Û O ÜÝÞ × ßàá Úâ ã ä ßO åæ v çá ç èé ê ë ì
¬ c Z[X Z[X O t ± jjíî U o ï ¡ ðo Ë ñ 6 ò < c > X ± 5 o U I jO t o S <c ó 7 e o I V U O e Z[5 ôõ [
ö o ÷ K X o øR ù jj± ú R jo X > 8 X V X û º L b ü c Zý5 c þ K ÿ o U jV > 5 c O ; > c O < t @<c
Z[<X X 7 7 : ZU X b ï > c O > K R 6 ¥ I ZU < o < > < > o ¥ > e o S O ¥ U o < jO Q X uQ X uu
v {| y v b
q > 7 > I ZX < c > c > K X Q Y jZ[> I <6 < c X V X < > e s V Z[< X X Q 7 ¥ Q U I U O U I !
[S.R. de Groot & P. Mazur. Non-equilibrium Thermodynamics North Holland 1962]
Recent history
! " # $ % & '( ) * $ +, - . / 012345 6 7 89: ; < => ? @ A B C D EF G H IJ K
L
M N O P ) Q RST N $ UV ) WX ( 'Y ZX UUX [ T & T '( \ $ ]^ _ ` ( a ]b _ c d T e f X Ua ZX N g ( ` N h ij N ` N k
l , md n $ o & pqr ` e stu vw 5xE y z 9{ ; | }> ~ 6 I
I
$ T $ ) X Z X N d U` $ ` N $ f $ X ` Z NRc T X Z ] ^ _ R ( a ]b _ & f $ X `
` ) f $ c ) i ` $ N $ T T 'X ( Z X N f $ T $ X aR ` [ X Z f $ N X a ` c '9 T
¡ d ` ) 'X ( ] ^¢ _ '£ Z X N c ` ¤ ¥ ¦ § ` ¨ $ © ª d ` ) '«X ( ZX N ) f $ $ ( ) N ¬ a $ ( T i)
® & ¯ ) f ` T X d N ° $ ) $ N c ± [ f '«\ * T ` )'T ² $ T ) f $ i X N ) ` ( ) ³( $ ´ d ` m') ] ^ ^ _
µ ¶·¸ r )* $ f $ ¹ X Z N º ` ) »X ( ]¼ ½ ¾^ ¿ _ & $ ´ d ` ) 'X ( ] ^ ¢ _ ` ( ¦ $ N $ [ N ³ ) $ À i `
Á U'Â * )Ã a 'Ä $ N $ ( ) Z , Å & 3 ÆCC 5w EE Ç C ÈÉ ; < 6 Ê Ë Ì Í
[ f $ N $ Î * $ $ ( ) N X Ï d Ð Ñ < WT ) f $ a 'Ò $ N $ ( Ó $ ¦ Ô ) [ $ $ ( ) f $ ) X ` $ Õ ) N , k
Ö d × Ø Ù ~> Ú ` ( Û Ü X ( Ý $ ) ÞÝ $ ) $ N P ß ® à
; < áx ; < â> ? ã 3 5 ä I å
½ ( X ¦ ) ` '( '( æ ] ç ¢ _ ` ( a ] ^ è _ [ $ f ` é $ ê T d $ a )f ` ) ) f $ T ) ` $ $ ëì ) T ] ^ _
í` ( a ]b _ ` îï X f ð a ZX N '( ñ ( ') $ T ³c ` T ò V N ) T X Z ) f $ T T ) $ P & , N '(
óX ) f $ N [ , N a T ô ) f ` ) )f $ ` õ T [ f ³\ f ö $ Ý ÷ øù Z X N ` NX T X 'ú T T ) $ P T
û ü ý ú( Ý ÷ 'ù Z X N þ( ÿ ( ')$ T 'ú ` T ` N ) T X Z '9Y ú f '9T '9T '9( ` æ N $ $ P $ ( )
f )* $ X W( ) X Z Ý '$ \ d N N $ ( ) ` a , ) $ a '9 ` ` \ N X T X W $ T N ' ) 'X (
í, ` \ , ( ) 'ú( d X T T T )$ P 'ú 'ú$ T & X ( ` c '9\ N X X i X a $ & f ` ) ) f $
\ ^ ` N X T \ X 'ú\ $ ` T d N $ $ ( ) T ¹ $ N ZX N $ a X ( ) f $ T T ) $ c & ` N $ N $ `
c ` d N $ $ ( ) T X ) f $ N X $ N )'$ T X Z T c ` ` N T X ) f $ T T $ & [ f W\
)'9 \ , ( ) ` '9( ` U` N $ ( d ¦ $ N X ) f $ X ( T ) ') d ) '( æ ` N ) '«\ U$ T ú d f T c
` N T X Z ) f $ Á T ) $ X ( $ P '9 f ) ` UU f T i ! i( " ( '9#$ T '% ` R ú µ& '' f ) f '()
*+ ',- a ' T ) '9UU c ` . $ T T $ ( T $ ) X T ¹ $ ` / ` 0 X 1 ) ) f 2 U3 4 5 U Ý ` Ud $ T X Z 6 d f
78 ( 9 ` : $ ( ;<= U P ` \ > X T , '?@ \X ( \ $ ) T ` T $ ( ) N X ` ( a $ ( ) N X ¹ N X A
B ) GH
! " #$% #$ % #&' ( ) * + * , $
- ./ 0 1 2 3 4 5 6 17 3 .89 :; < " = > #$ ? @
A B C DAEFG HI J K LI M N A O P M Q N R ST U
" #% VW " XY 5 " Z = [ = % 5 \ " = [ ] \ ^ 5 @ [ #&% &
_ ` 5 ^ [ a&&b $ ^ [ " #$% [ ^ c % 5 d "
[ e f#&g h #& 5 \ #8i j k \ lm % 5 #$5 n o % Z p % \
" #$ q r = = s 1tu & v w x #& % y ` 3$ z { [ |
} 5 ~ # " #% #$ % 5 .5 \ #$5 = [ 1 2 3 1 3 5 \ 1 3 \
5 ^ % ^ [ & " ' ' ^ d 5 [ 5
? 5 #& \ #$5 1 3 5 \ 1 3 5 #&5 ' #\ $
[ ^ [ Y #& ` #& [ \ 5 #$% #&5 % ^
5 #& % 5 % 5 \ " # \ ^ = g ' & = [ #& =
" #% # ^ #5 1 3 ¡ & ¢ i £ \ ^ 5 [ #&% = #¤ ' ¥
{ % " ' 5 = #¦[ § 5 ¨ % #©' #ª
« 5 ¬ ^ ®¦m 5 ^ \ ¯ # 5 ' #° ¬ ' #±
² 5 [ 5 " ³% [ ^ % % ³5 ¬\ ´ ^ £ µ = % ¶ · #± j
¸
5 ^ \ ? ¹ 5 #&5 º » 5 ¼$#& " #% ? % #$½
# ¾ ' # 5 5 " ¿ " # 1 3 5 \ 1 3 À5 = [ Á #°% #$
[ Â ¹ = \ % # #$ 5 = ^ Ã #°5 " #$% Ä \ 5 ¼$ V Å
c 5 ¬' #$ 1 % Æ 5 \ 5 j ^ % 5 Ç\ ¸ \ #$5
È ' ³ ? É 3 % 5 #$5 = Ê 5 % #° = % Ë % \ ³5 $ ÌÍ
Î #$ Ï
ÐÑ ÒÒ Ó Ô Õ ¸Ö S× Ø
AÙAlÚÛ ÜÜ Ý Þß à á âã ä A å Sæ Ø
ç
è
éAêëì¦Ú ÜÜ í A î Sï ð
Û
" ñ ¬ª ´ 5 ò ^ 5 #& [ ó ª ô áõ öã ö ´ · ÷ ø ù ; " ú
5 #û 5 \ 5 ³ #[ 5 \ ü 5 ^ % q j 5 ý ¸þ
\ % #ÿ 5 5 # ' [ 5 ¡ 5 # #[ $
#8 1 1 3 5 \ 3 = [ ·J 3 [ ^ " . 5 ÿ5 j ·