معادلات رينولدز-نافير-ستوكس المتوسطة (RANS)

إن عدد رينولدز ([latex]\{Re}[/latex]) هو كمية بلا أبعاد في ميكانيكا الموائع تستخدم للتنبؤ بأنماط التدفق من خلال تمثيل نسبة قوى القصور الذاتي إلى قوى اللزوجة. وتميز أعداد رينولدز المنخفضة التدفق الصفحي السلس والمنظم، بينما تشير أعداد رينولدز العالية إلى التدفق المضطرب الفوضوي المملوء بالدوامات. وهي ضرورية لتحديد السلوك الديناميكي للسريان الديناميكي للسائل ولتجارب القياس.

عدد ماخ (M) هو كمية بلا أبعاد تمثل نسبة سرعة التدفق عبر الحد الفاصل إلى سرعة الصوت المحلية: [latex]M = v/a[/latex]، حيث v هي سرعة التدفق وa هي سرعة الصوت. وهو المؤشر الأساسي لتأثيرات الانضغاطية. عندما يقترب رقم ماخ من 1 ويتجاوزه، تتغير كثافة الهواء بشكل كبير، مما يغير القوى الديناميكية الهوائية.

في الخلايا الكهروكيميائية مثل البطاريات وخلايا الوقود، يتولد التردد الكهروكيميائي عن طريق التفاعلات الكيميائية. ويتم فصل الشحنة عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث عند قطبين مختلفين. ويرتبط الحد الأقصى للتردد الكهروكيميائي للخلية بالتغير في طاقة جيبس الحرة ([latex] \Delta G[/latex]) للتفاعل بواسطة [latex] \mathcal{E} = - \frac{\Delta G}{nF}[/latex]، حيث [latex]n[/latex] هو مول الإلكترونات و[latex]F[/latex] هو ثابت فاراداي.

لا يمكن قياس الجهد الكهروكيميائي المطلق لقطب كهربائي واحد. وبدلاً من ذلك، تُقاس الإمكانات بالنسبة إلى مرجع مقبول عالميًا. ويُعد قطب الهيدروجين القياسي (SHE) هو المرجع الأساسي، حيث يتم تعيين جهد 0 فولت بالضبط في ظل الظروف القياسية (تركيز 1 ميلي فولت [latex]H^+[/latex]، 1 بار [latex]H_2[/latex]، 298 كلفن). يتم الإبلاغ عن جميع إمكانات الأقطاب القياسية الأخرى بالنسبة إلى نقطة الصفر هذه.

تقيس نظرية كوتا-جوكوفسكي قوة الرفع التي يولدها الجنيح الهوائي. وتنص هذه النظرية على أن الرفع لكل وحدة امتداد ([latex]L'[/latex]) يتناسب طرديًا مع كثافة المائع ([latex]\rho[/latex])، وسرعة التيار الحر ([latex]V[/latex])، والدوران ([latex]\Gamma[/latex]) حول الجسم: [latex]L'= \rho V \Gamma[/latex]. وهذا يربط بين المفهوم المجرد للدوران والقوة الفيزيائية للرفع.

الطبقة الحدودية هي طبقة رقيقة من السائل تقع بالقرب من سطح فاصل، حيث تكون تأثيرات اللزوجة كبيرة. قدّم لودفيج براندتل هذا المفهوم، الذي يُبسّط مسائل ديناميكا الموائع بتقسيم التدفق إلى منطقتين: الطبقة الحدودية الرقيقة حيث تسود اللزوجة، والمنطقة الخارجية حيث يُمكن تطبيق نظرية التدفق غير اللزج.

تربط هذه الصيغة التأسيسية بين الكمية الديناميكية الحرارية العيانية للانتروبي (S) وعدد الترتيبات الميكروسكوبية الممكنة، أو الحالات الميكروية (W)، المناظرة للحالة العيانية للنظام. تكشف المعادلة، [latex]TS = k_B \n W[/latex]، أن الإنتروبيا هي مقياس للاضطراب الإحصائي أو العشوائية. والثابت [latex]k_B[/latex] هو ثابت بولتزمان الذي يربط الطاقة على مستوى الجسيمات بدرجة الحرارة.

التكثيف القصي، أو التمدد، هو سلوك غير نيوتوني، حيث تزداد اللزوجة مع معدل إجهاد القص. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك معلق نشا الذرة في الماء (أوبليك)، الذي يبدو سائلاً عند تحريكه ببطء، ولكنه يكاد يكون صلباً عند صدمه أو تحريكه بسرعة. تحدث هذه الظاهرة بسبب انحشار الجسيمات العالقة تحت تأثير قص عالٍ.

تربط معادلة نيرنست بين جهد الاختزال لنصف خلية (أو الجهد الكلي لخلية كهروكيميائية) بجهد القطب القياسي ودرجة الحرارة والأنشطة (التي غالباً ما يتم تقريبها بالتركيزات) للأنواع الكيميائية التي تخضع للأكسدة والاختزال. والمعادلة هي [latex]E = E^{\circ} - \frac{RT}{nF} \nln Q[/latex]، حيث Q هي حاصل التفاعل.

تتولد القوة الكهرومغناطيسية الحركية عندما يتحرك موصل خلال مجال مغناطيسي. وتؤثر المركبة المغناطيسية لقوة لورنتز، [latex]\mathbf{F} = q(\mathbf{v} \times \mathbf{B})[/latex]، على حاملات الشحنة داخل الموصل، مما يتسبب في تحركها وتوليد فصل للشحنة. ويؤدي هذا الفصل إلى نشوء مجال كهربي وفرق جهد. ويُعطى القوة الكهرومغناطيسية الناتجة عن طريق التكامل الخطي [latex]\mathbf{v} \times \mathbf{B}) \cdot d\mathbf{l}[/latex].

في نظام في حالة التوازن الديناميكي الحراري، يجب أن يكون الجهد الكهروكيميائي، [latex] \nbar{\mu}_i[/latex]، لأي نوع مشحون معين \i' منتظمًا في جميع المراحل. في حالة وجود تدرج ([latex]\nabla \bar \\\mu_i \nneq 0[/latex])، ستتحرك الأيونات تلقائيًا من مناطق ذات إمكانات أعلى إلى إمكانات أقل، مما يخلق تيارًا أو تدفقًا، حتى يتم التخلص من هذا التدرج وإعادة التوازن.

الطاقة ليست متصلة ولكنها تأتي في حزم منفصلة تسمى كوانتا. وتتناسب الطاقة [latex]E[/latex] لكمية واحدة من الإشعاع الكهرومغناطيسي (فوتون) تناسباً طردياً مع تردده [latex]E \nu[/latex]. وتُعرَّف هذه العلاقة بعلاقة بلانك-آينشتاين، [latex]E = h\nu[/latex]، حيث [latex]h[/latex] هو ثابت بلانك. هذا المفهوم يتحدى الفيزياء الكلاسيكية بشكل أساسي.

المجموعة الإحصائية هي أداة مفاهيمية تتكون من عدد كبير من النسخ الافتراضية لنظام ما، تُمثل كل منها حالة مجهرية محتملة. بحساب متوسط ​​خصائص جميع الأنظمة في المجموعة، يُمكن حساب المُلاحظات العيانية. الأنواع الرئيسية هي: الميكروكانونية (نظام معزول ذو قيم ثابتة N, V, E)، والكانونية (نظام مغلق ذو قيم ثابتة N, V, T)، والكانونية الكبرى (نظام مفتوح ذو قيم ثابتة µ, V, T).

يُعد مبدأ التكافؤ حجر الزاوية في النسبية العامة. ويفترض أن تأثيرات مجال الجاذبية المنتظم لا يمكن تمييزها عن تأثيرات التسارع المنتظم. هذا يعني أن الراصد في مصعد حر السقوط بلا نوافذ يشعر بانعدام الوزن، تمامًا كما يشعر الراصد في الفضاء السحيق، بعيدًا عن أي مصدر جاذبية، مما يُشكل الأساس المفاهيمي للجاذبية كظاهرة هندسية.