background image

Thoughts on Thermomechanics

Walter Noll

Department of Mathematical Sciences

Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA 15238, USA

Abstract

First, I give a short description of the history of the interpretation of the second law of thermo-

dynamics as a restriction on the kind of material properties that physical systems occurring in nature

can have. Second, I describe the desirability of developing a framework, using the concept of a

state

of a

material element, for developing a general thermomechanical theory of simple materials.Third, I give a

taste of the mathematical infrastructure needed for such a theory. Finally, I give an outline of the paper

[NS] by Brian Seguin and myself which may be a model for the first few chapters of future textbooks on

continuum thermomechanics.

Key Words:

Thermomechanics, Second Law, Simple materials, mathematical infrastructure.

1. History and Outlook

Until about 50 years ago, the overlap between

thermodynamics and mechanics was very limited. It
dealt mostly with the laws relating thermal energy
and mechanical energy. However, the first and sec-
ond laws of thermodynamics were not connected with
continuum mechanics. Courses in thermodynamics,
elasticity, and hydrodynamics had very little connec-
tion.

The very term “thermomechanics” had not

been invented. Even now the term is still not in the
dictionary. Yet there are books with this title, and
typing this term into Google yields 65 000 hits.

Of course, the development of statistical me-

chanics in the 19th century yielded an important con-
nection between particle mechanics and thermody-
namics, but this did not seem to have much relevance
to continuum mechanics.

When working on

The Non-Linear Field Theo-

ries of Mechanics

[NLFT] with Clifford Truesdell in

the early 1960’s, I encountered the problem of justi-
fying the formula relating the stress in elasticity to
the gradient of the internal energy with respect to
the transplacement gradient

1

. First, I naively con-

jectured that this formula can be derived from the
law of conservation of energy. It cannot. What is
needed is an appropriate interpretation of the second
law of thermodynamics.

Here is the interpretation:

Dissipation principle:

For all thermody-

namic processes that are admissible for a given con-
stitutive assumption, the entropy production must be
positive or zero.

The decisive word in this postulate is the quan-

tifier

all

. It makes the postulate a restrictive con-

dition on the constitutive assumptions that can be
imposed on systems of the type under consideration.
Indeed, if constitutive assumptions are laid down at
will and without restriction, the entropy production
can be expected to be positive or zero only for some
but not for all admissible processes. Thus, the sec-
ond law is not a restriction on the kind of processes
that can occur in nature, but a restriction on the
kind of material properties that physical systems oc-
curring in nature can have. This is not made clear in
most explanations of the second law in the textbook
literature on thermodynamics. An exception is the

Lectures on Physics

by R. Feynman. He writes: “So

we see that a substance’s properties must be limited
in a certain way; one cannot make up anything he
wants .... This principle, this limitation, is the only
real rule that comes out of thermodynamics.” (See
pp. 44-6 and 44-7 of reference [F].)

What happened next is described by the fol-

lowing excerpt from Bernard Coleman’s

Memories of

Clifford Truesdell

[C]:

“In the early 1960’s Walter Noll put to me the

idea, as if it should be obvious to everyone, that the
inequality is a restriction on all processes that are ad-
missible in a material of which the body is composed,
and, because one defines each material by giving a
set of constitutive relations, the Clausius-Duhem in-
equality, as it must hold for all processes compatible
with these relations, becomes a

restriction on con-

stitutive relations.

In another act of great generos-

ity, Walter suggested that we develop the idea to-
gether. It took a while to sort the argument out and
to present it in a way that would convince the wary.”

The result of our efforts was the paper

The

1

In 1958, I introduced the unfortunate terms “configuration” and “deformation” for what are now called “placement” and

“transplacement”. I apologize. Since these old terms were used in [NLFT], they were widely accepted, and I am now in the
ironic position to fight against something that I started.

1

background image

Thermodynamics of Elastic Materials with Heat Con-
duction and Viscosity

[CN]. There we gave rigor-

ous mathematical proofs that the second law implies,
among other things, that the heat conduction coeffi-
cients and the viscosities in fluids must be positive or
zero. This paper became a citation classic, and the
procedure used in this paper has been dubbed the
“Coleman-Noll procedure”.

Typing this term into

Google yields about 3500 hits.

In

The Non-Linear Field Theories of Mechanics

,

published in 1965, Clifford Truesdell and I presented
what we called “The general theory of material be-
havior” (Chapter C of [NLFT]). About seven years
later, in about 1971, I realized that this “general the-
ory” cannot be the final word. (See the

Preface to

the Second Edition

, published in 1992.) What was

needed is a general framework for the formulation of
constitutive laws, using the concept of a

state

of a ma-

terial element. I presented such a framework in the
paper

A New Mathematical Theory of Simple Mate-

rials

, 50 pages long, published in 1972 [N1]. This

framework dealt only with purely mechanical phe-
nomena. However, in the end (Sect.21), I proposed
that this framework should be generalized to become
a general thermomechanical theory. It took 35 years
before somebody started to develop such a general-
ization. It was my doctoral student Brian Seguin,
now at the end of his fourth year as a graduate stu-
dent at CMU. His work could be of groundbreaking
significance.

I was disappointed that my 1972 paper [N1]

mentioned above generated very little resonance. The
reason is that it required familiarity with a mathe-
matical infrastructure that was and still is foreign to
most people interested in thermomechanics. Here is
an example: A letter from the editor of the

Reviews of

Modern Physics

, written in 1988, informed me that a

1961 paper by Bernard Coleman and me had become
a citation classic and that they would welcome re-
ceiving other papers from me. In 1995 I submitted a
paper entitled

On Material Frame Indifference

to this

journal. I thought that this paper should be of inter-
est to an audience wider than just those interested
only in the mathematics of continuum physics. How-
ever, my paper was rejected even though the editor
conceded that “the article is clearly written”. Here
are some quotes from the reviewer:

“I enjoyed reading this paper and very much

would like to see it published.

I am afraid, how-

ever, that the Reviews of Modern Physics is not the
appropriate place. I believe that the overwhelming
majority of the readers of the journal will consider
the paper unreadable. Not because the material pre-
sented is intrinsically difficult, but rather because the
author’s individual form of the ‘Bourbakian’ style is

far removed from anything that physicists are will-
ing to digest. .... Professor Noll is highly respected
in the mathematical community and has more than
once proved himself to be ahead of his time. ...”

The paper is now part 2 of my

Five Contribu-

tions to Natural Philosophy

[FC].

In a recent exchange of e-mails, another scien-

tist also told me that he has “reservations for the
Boubakization of mechanics”. Here is my answer to
him:

“My more recent work is almost entirely ex-

pressed in terms of the stage 3 infrastructure of math-
ematics.

This is not just a matter of notation or

style. The language of stage 2 mathematics is sim-
ply insufficient to describe my ideas. I am convinced
that this stage 3 infrastructure will eventually pre-
vail, even among physicists and engineering scientist,
but it may take another 40 years. To call it ‘Bour-
bakization’ is a gross mischaracterization.”

The stage 2 mathematical infrastructure is

based on the concepts of variables, constants, and
parameters.

The stage 3 mathematical infrastruc-

ture is based on the concepts of sets and mappings.
For a detailed explanation, see my essay entitled

The

Conceptual Infrastructure of Mathematics

[N2].

One of the issues that has created much con-

fusion in the literature on thermomechanics is the

Principle of Material Frame Indifference

. It is often

confused with material symmetry. I deal with this
issue in part 2 of the

Five Contributions to Natu-

ral Philosophy

[FC] mentioned above. The best way

to avoid using this Principle and not confuse it with
material symmetry is to formulate constitutive laws
without using a frame of reference. This has been
done in [N1], [FC], [N3], and also in Brian Seguin’s
work to be described in a later presentation.

I am tired of being ahead of my time and hope to

induce some people to become familiar with some of
the stage 3 mathematical infrastructure that will be
needed, for example, to understand the paper

Basic

Concepts of Thermomechanics

[NS1] by Brian Seguin

and me outlined in Section 3 below. A detailed treat-
ment of some of this infrastructure is presented in my
textbook [FDS], now available free of charge on the
internet. The following gives a taste of it.

2. Mathematical infrastructure

2.1. Sets and Mappings

The set of real numbers will be denoted by R

I .

The set of positive numbers (including zero) will be
denoted by P

I

while the set of strictly positive num-

bers (excluding zero) will be denoted by P

I

×

.

2

background image

In order to specify a

mapping

f

:

A −→ B

,

one first has to prescribe two sets,

A

and

B

, and then

a definite procedure, called the

evaluation rule

of

f

, which assigns to each element

a

∈ A

exactly one

element

f

(

a

)

∈ B

. The set

A

is called the

domain

of

f

and the set

B

is called the

codomain

of

f

. We

say that

f

is a mapping from

A

to

B

or maps

A

to

B

.

For every set

A

we have the

identity map-

ping

1

A

:

A −→ A

of

A

, defined by 1

A

(

a

) :=

a

for

all

a

∈ A

.

The

composite

g

f

:

C −→ A

of two mappings

f

:

A −→ B

and

g

:

B −→ C

is defined by

(

g

f

)(

a

) :=

g

(

f

(

a

))

for all

a

∈ A

.

Now let a

mapping

f

:

A −→ B

be given. We

say that

f

is

injective

if, for every

b

∈ B

, there is

at

most one

a

∈ A

such that

f

(

a

) =

b

. We say that

f

is

surjective

if, for every

b

∈ B

, there is

at least one

a

∈ A

such that

f

(

a

) =

b

. The mapping

f

is both

injective and surjective if and only if, for every

b

∈ B

,

there is

exactly one

a

∈ A

such that

f

(

a

) =

b

. In

that case, we say that

f

is

invertible

and we define

the

inverse

f

:

B −→ A

by the procedure which

associates with each

b

∈ B

the only

a

:=

f

(

b

)

∈ A

which satisfies

f

(

a

) =

b

. We then have

f

f

= 1

B

and

f

f

= 1

A

.

The set

Rng

f

:=

{

f

(

a

)

∈ B |

a

∈ A}

is called the

range

of

f

. We have Rng

f

=

B

if and

only if

f

is surjective.

The

mapping

f

induces

a

mapping

f

>

: Sub

A −→

Sub

B

, from the set Sub

A

of all

subsets of

A

to the set Sub

B

of all subsets of

B

. It

is defined by

f

>

(

A

) :=

{

f

(

a

)

∈ B |

a

∈ A}

for all

A

Sub

A

and called the

image mapping

of

f

.

Given two sets,

A

1

and

A

2

, one can form the

set-product

A

1

× A

2

of

A

1

and

A

2

. It is defined by

A

1

× A

2

:=

{

(

a

1

, a

2

)

|

a

1

∈ A

1

, a

2

∈ A

2

}

.

Given

h

1

:

D −→ A

1

and

h

2

:

D −→ A

2

one

can construct the

term-wise evaluation mapping

(

h

1

, h

2

) :

D −→ A

1

× A

2

by

(

h

1

, h

2

)(

d

) := (

h

1

(

d

)

, h

2

(

d

))

for all

d

∈ D

.

Conversely, given

h

:

D −→ A

1

× A

2

then there are

mappings

h

1

:

D −→ A

1

and

h

2

:

D −→ A

2

such

that

h

= (

h

1

, h

2

). The mappings

h

1

and

h

2

are called

the

component mappings

of

h

. A similar result

holds when the codomain of

h

is the product of more

the two sets.

2.2. Linear Algebra

Here we deal only with finite-dimensional real

linear spaces. Let

T

1

and

T

2

be such linear spaces.

We use the notation Lin (

T

1

,

T

2

) for the set of all

linear mappings from

T

1

to

T

2

.

This set also has

the structure of a linear space and dim Lin (

T

1

,

T

2

) =

dim

T

1

×

dim

T

2

. Given

L

Lin (

T

1

,

T

2

) and

v

∈ T

1

we denote by

Lv

the element of

T

2

that

L

assigns to

v

.

If

L

1

and

L

2

are both linear mappings such that

the composite

L

1

L

2

is meaningful then we will de-

note this composite simply by

L

1

L

2

. If a linear map-

ping

L

is invertible, we denote its inverse by

L

1

. We

denote by Lis (

T

1

,

T

2

) the set of all invertible linear

mappings, i.e.

linear isomorphisms

, from

T

1

to

T

2

.

This set is non-empty if and only if dim

T

1

= dim

T

2

.

We use the abbreviations

Lin

T

:= Lin(

T

,

T

) and Lis

T

:= Lis(

T

,

T

)

.

The second of these sets forms a group with respect
to composition, called the

linear group

of

T

.

The

dual

of a linear space

T

is defined by

T

:= Lin(

T

,

R

I )

.

In accordance with the general rule of denoting the
evaluation of linear mappings, the value of

λ

∈ T

at

v

∈ T

will be be denoted simply by

λ

v

. The dual

T

∗∗

of the dual space

T

will be identified with

T

in

such a way that the value at

λ

∈ T

of the element

of

T

∗∗

identified with

v

∈ T

is

v

λ

:=

λ

v

. We have

dim

T

= dim

T

.

Given

v

∈ T

2

and

λ

∈ T

1

we define the

tensor

product v

λ

Lin (

T

1

,

T

2

) of

v

and

λ

by

(

v

λ

)

u

:= (

λ

u

)

v

for all

u

∈ T

1

.

The dual of Lin

T

contains a special element

tr

(Lin

T

)

called the

trace

which is characterized

by the property

tr(

v

λ

) =

λ

v

for all

v

∈ T

,

λ

∈ T

.

Another mapping of interest is the

determinant

det : Lin

T −→

R

I .

2

We use the notation

Unim

T

:=

{

L

Lis

V | |

det

L

|

= 1

}

for the

unimodular group

, which is a subgroup of

Lis

T

, and the notation

Unim

+

T

:=

{

L

Lis

V |

det

L

= 1

}

2

For a matrix-free definition see Sect.14 of [FDS], Vol.II

3

background image

for the

proper unimodular group

, which is a sub-

group of Unim

T

.

To every

L

Lin (

T

1

,

T

2

) one can associate

exactly one element

L

>

Lin (

T

2

,

T

1

), called the

transpose

of

L

, characterized by the condition that

λ

(

Lv

) = (

L

>

λ

)

v

for all

v

∈ T

1

,

λ

∈ T

2

.

The space Lin (

T

,

T

) will be identified with the

space of all bilinear forms on

T

. The subspace

Sym (

T

,

T

) :=

{

L

Lin (

T

,

T

)

|

L

>

=

L

}

of Lin (

T

,

T

) will be identified with the space of all

symmetric bilinear forms. The subset

Pos

+

(

T

,

T

) :=

{

G

Sym (

T

,

T

)

|

(

Gv

)

v

>

0

for all

v

∈ T

with

v

6

=

0

}

of Sym (

T

,

T

) will be identified with the set of all

strictly positive bilinear forms. It is an open subset
and a

linear cone

in Sym (

T

,

T

), but not a sub-

space. We note that Pos

+

(

T

,

T

)

Lis (

T

,

T

).

A (genuine)

inner-product space

V

is a linear

space endowed with additional structure by singling
out a specific element ip

Pos

+

(

V

,

V

), called the

inner-product

. The inner-product is used to iden-

tify the linear space

V

with its dual

V

. It is custom-

ary to use the notation

v

·

u

:= (ip

v

)

u

for all

v

,

u

∈ V

.

The

magnitude

|

u

|

of an element

u

∈ V

is defined

by

|

u

|

:=

u

·

u

.

If

T

is just a linear space without inner product

then the entire theory of inner-product spaces can
be applied relative to any

G

Pos

+

(

T

,

T

).

3

For

example, for each

G

Pos

+

(

T

,

T

) one can define

Orth

G

:=

{

A

Lis

T |

A

>

GA

=

G

}

,

Orth

+

G

:=

{

A

Orth

G

|

det

A

= 1

}

.

The first of these is the

orthogonal group

of

G

,

a subgroup of Unim

T

, and the second of these is

the

proper orthogonal group

of

G

, a subgroup of

Unim

+

T

. The following two facts about orthogonal

groups are of interest:
(1) For all

G

1

,

G

2

Pos

+

(

T

,

T

) we have

Orth

G

2

= Orth

G

2

⇐⇒

G

1

=

c

G

2

for some

c

P

I

×

.

(2) The groups Orth

G

are all maximal subgroups of

Unim

T

.

4

In the applications to thermomechanics, a three-

dimensional linear space

T

represents an

infinites-

imal element

of a continuous body.

The elements

G

Pos

+

(

T

,

T

) represent the

configurations

of

the element. A

deformation

is simple a change of

configuration, and a

deformation process

is a map-

ping

P

:

I

−→

Pos

+

(

T

,

T

), where

I

is a non-empty

real interval.

3. Basic Thermomechanics

3.1. Description

Here is an outline of the paper entitled

Basic

Concepts of Thermomechanics

[NS1] by Brian Seguin

and me, which is intended to serve as a model for
the first few chapters of future textbooks on contin-
uum mechanics and continuum thermomechanics. It
differs from most existing such textbooks in several
important respects:

1) It uses the stage 3 mathematical infrastruc-

ture mentioned above.

2) It is completely coordinate-free and R

I

n

-free

when dealing with basic concepts.

3) It does not use a fixed

physical space

. Rather,

it employs an infinite variety of

frames of reference

,

each of which is a Euclidean space. The motivation
for avoiding physical space can be found in Part 1,
entitled

On the Illusion of Physical Space

, of [FC].

Here, the basic laws are formulated without the use
of a physical space or any external frame of refer-
ence. The only frames of reference used there are
internal ones, generated by the configurations of the
body systems used.

4) It considers inertia as only one of many ex-

ternal forces and does not confine itself to using only
inertial frames of reference.

Hence kinetic energy,

which is a potential for inertial forces, does not ap-
pear separately in the energy balance equation. In
particle mechanics, inertia plays a fundamental role
and the subject would collapse if it is neglected. Not
so in continuum mechanics, where it is often appro-
priate to neglect inertia, for example when analyzing
the motion of toothpaste when it is extruded slowly
from a tube.

3.2. Physical Systems

In the mid 1950’s I regularly taught courses for

engineering students with the titles

Statics

and

Dy-

namics

. In

Statics

, the students were asked to con-

sider some system (a building, a bridge, or a ma-
chine), draw

free-body diagrams

, and apply to each

of these the balance of forces and torques. This of-
ten gave enough linear equations to determine the
stresses in each of the pieces of the system. In

Dy-

namics

, the students were asked to apply the same

procedure as in Statics, except that inertial forces are

3

This insight, to the best of my knowledge, was first employed in [N1].

4

The proof is given in [N5].

4

background image

taken into account. This often led to linear differen-
tial equations. I then wondered what the underlying
conceptual background of all this was. Here is the
result:

Definition 1.

An ordered set

with order

is said

to be

materially ordered

if the following axioms

are satisfied:

(MO1)

has a maximum

ma

and a minimum

mn

.

(MO2) Every doubleton has an infimum.

(MO3) For every

p

there is exactly one member

of

denoted by

p

rem

, such that

inf

{

p, p

rem

}

= mn

and

sup

{

p, p

rem

}

= ma

.

(MO4)

(inf

{

p, q

rem

}

= mn)

=

p

q

for all

p, q

M .

The mapping

rem := (

p

7→

p

rem

) : Ω

−→

is

called the

remainder mapping

in

.

Here Ω is considered to consist of the whole sys-

tem and all of its parts. Given

a, b

Ω,

a

b

is read

a

is a part of

b

”. The maximum ma is the “material

all”, i.e. the whole system, and the minimum mn is
the “material nothing”. The inf

{

a, b

}

is the overlap

of

a

and

b

, and

a

rem

is the part of the whole system

ma that remains after

a

has been removed. With this

in mind, the two conditions (MO3) and (MO4) above
are very natural.

Theorem 1:

Let

be a materially ordered set.

Then

has the structure of a Boolean algebra with

p

q

:= inf

{

p, q

}

and

p

q

:= sup

{

p, q

}

for all

p, q

,

(1)

The proof is highly non-trivial. The best version is
given in [NS2].

3.3 Additive Mappings a and Interactions

Let Ω be a materially ordered set and

W

a linear

space. We say that the parts

p

and

q

are

separate

if

p

q

= mn. We use the notation

(Ω

2

)

sep

:=

{

(

p, q

)

2

|

p

q

= mn

}

.

(2)

Definition 2.

A function

H

: Ω

−→ W

is said to be

additive

if

H

(

p

q

) =

H

(

p

) +

H

(

q

)

for all

(

p, q

)

(Ω

2

)

sep

.

(3)

For every

p

Ω we put Ω

p

:=

{

q

|

q

p

}

,

which again has the structu of a materially ordered
set.

Definition 3.

A function

I

: (Ω

2

)

sep

−→ W

is said

to be an

interaction

if, for all

p

, both

I

(

·

, p

rem

) : Ω

p

−→ W

and

I

(

p

rem

,

·

) : Ω

p

−→ W

are additive.

The

resultant

Res

I

: Ω

→ W

of a given inter-

action

I

is defined by

Res

I

(

p

) :=

I

(

p, p

rem

)

for all

p

.

(4)

We say that a given interaction is

skew

if

I

(

q, p

) =

I

(

p, q

) for all (

p, q

)

(Ω

2

)

sep

.

(5)

Theorem 2:

An interaction is skew if and only if its

resultant is additive.

The proof of this result is fairly easy but not

entirely trivial.

Remark 1:

The concept of an interaction is an ab-

straction. Its values may have the interpretation of
forces, torques, or heat transfers. In most of the past
literature these cases were treated separately even
though much of the underlying mathematics is the
same for all. Thus, this abstraction, like most others,
is a labor saving device.

3.4. Continuous Bodies

A continuous body system is a set

B

of

mate-

rial points

, endowed with structure by the speci-

fication of a non-empty set Conf

B

, whose elements

are called

configurations

of

B

. These configurations

are Euclidean metrics and the set Conf

B

is subject to

several conditions. In order to state these, one needs
several concepts:

1) A class Fr of

fit regions

, which are sub-

sets Euclidean spaces. These regions are those that
a body system can occupy.

Intuitively, the term

“body” suggest that the regions it can occupy are
connected. We do not assume this but, for simplic-
ity, we will use the term “body” rather than “body
system” from now on.

2) A class Pl

B

of

placements

of the body,

which are invertible mappings from the body

B

to a

fit region in some Euclidean space, called the

frame-

space

of the placement.

3) A class Tr of

transplacements

, which are

invertible mappings from a fit region in some frame-
space to a fit region in the same or another frame-
space.

The precise definitions and conditions that these

concept must satisfy are, to some extent, quite tech-
nical and can be found in [NS1].

Each configuration

δ

Conf

B

can be used to

construct a Euclidean space

E

δ

and and an

imbed-

ding

imb

δ

, which is a special placement of the body

in the frame-space

E

δ

. These special frame-spaces are

internal, because they constructed from configura-
tions; they are not external, i.e., introduced from the

5

background image

outside. In general, placements are in frame-spaces
introduced from the outside.

Every placement

µ

induces a configuration

δ

µ

,

but infinitely many placements all induce the same
configuration.

Given a continuous body

B

, consider the set Ω

B

defined by

B

:=

{P ∈

Sub

B |

imb

δ>

(

P

)

Fr

for every

δ

Conf

B}

.

(6)

In (3.6) “every” can be replaced by “some” without
change of meaning.

The members of Ω

B

are called

parts

or

sub-

bodies

of

B

.

B

is

materially ordered

, as defined in Sect.3.1,

by inclusion. It has the structure of a Boolean algebra
with

P ∧ Q

:=

P ∩ Q

,

(7)

P ∨ Q

:= Int Clo(

P ∪ Q

)

,

(8)

P

rem

:= Int(

B\P

)

,

(9)

The proof of this highly non-trivial result can

be found in [NV].

3.5. Densities and Contactors

We assume that a continuous body

B

is given.

For each part

P ∈

B

and each placement

µ

Pl

B

we use the notation

P

µ

:=

µ

>

(

P

) and, in particu-

lar.

B

µ

:= Rng

µ

. We say that a part

P ∈

B

is

internal

if, for every placement

µ

Pl

B

, we have

Clo

P

µ

⊂ B

µ

. We denote the set of all internal parts

by Ω

int

B

.

Definition 4.

An additive mapping

H

: Ω

B

−→ W

is said to have

densities

if, for every

µ

Pl

B

, there

is a continuous mapping

h

µ

:

B

µ

−→ W

such that

H

(

P

) =

Z

P

µ

h

µ

for all

P ∈

int

B

.

(10)

We call

h

µ

the

density

of

H

in the placement

µ

.

Definition 5.

We say that an interaction

I

:

(Ω

B

)

2

sep

−→ W

has

contactors

if, for every place-

ment

µ

, there is a

C

1

mapping

C

µ

:

B

µ

−→

Lin (

V

µ

,

W

)

such that

I

(

P

,

Q

) =

Z

Rct

µ

(

P

,

Q

)

C

µ

n

P

µ

for all (

P

,

Q

)

(Ω

B

)

2
sep

with

P ∈

int

B

.

(11)

We call

C

µ

the

contactor

of

I

in the placement

µ

.

In both these definitions, “every” can be re-

placed by “some” without change of meaning.

Theorem 3:

Given an interaction

I

: (Ω

B

)

2

sep

−→

W

with contactors and an additive mapping

H

: Ω

B

−→ W

with densities, the following three

conditions are equivalent:

1) We have

Res

I

(

P

) +

H

(

P

) =

0

for all

P ∈

int

B

.

(12)

2) For every placement

µ

Pl

B

, we have

div

C

µ

+

h

µ

=

0

.

(13)

where

h

µ

is the density of

H

in the placement

µ

, and

C

µ

is the

contactor

of

I

in the placement

µ

.

3) Condition 2) holds with with “every” replaced by
“some”.

3.6. Balance of Forces and Torques

It is often useful to fix a Euclidean space

E

, with

translation space

V

, and confine one’s attention to

placements whose range space is

E

. It is then useful

to consider force systems with values in

V

, indepen-

dent of the choice of a configuration, as follows:

Definition 6.

A

force system

in the space

V

is a

pair

(

F

i

,

F

e

)

, where

F

i

: (Ω

B

)

2

sep

−→ V

is an interac-

tion and

F

e

: Ω

B

−→ V

is additive. The mapping

F

i

is called the

internal force system

in

V

and

F

e

is

called the

external force system

in

V

.

Let a force system (

F

i

,

F

e

) in

V

be a given. The

first fundamental law of mechanics, called the

Bal-

ance of Forces

, says:

Res

F

i

(

P

) +

F

e

(

P

) =

0

for all

P ∈

B

.

(14)

We say that the system (

F

i

,

F

e

) is

force-

balanced

if (14) holds.

Since

F

e

is additive, the following

Law of Ac-

tion and Reaction

is an immediate consequence of

(14) and Theorem 2:

Every balanced balanced internal force system

is skew, i. e. ,

F

i

(

P

,

Q

) =

F

i

(

Q

,

P

)

for all

(

P

,

Q

)

(Ω

B

)

2
sep

.

(15)

Remark 2:

The law of action and reaction is often

referred to as

Newton’s Third Law

. Thus, if one as-

sumes the balance law (3.14), one can prove Newton’s
Third Law instead of assuming it a priori, as New-
ton and many physics textbooks since Newton have
done. The balance of forces has been understood by
engineers, if only implicitly, since antiquity.

We now assume now that

F

i

has contactors and

F

e

has densities..

Let

µ

be a placement of the body in

E

and put

B

µ

:=

µ

>

(

B

). Let

T

µ

:

B

µ

:

−→

Lin

V

denote the

contactor for

F

i

and let

b

µ

:

B

µ

:

−→ V

denote the

6

background image

density of

F

e

in the given the placement

µ

. It follows

from Theorem 3 that the force balance, restricted to
internal parts

P

, is equivalent to

div

T

µ

+

b

µ

=

0

.

(16)

It is usual to assume that the force system is not

only force-balanced but also

torque-balanced

. We

will not give a precise definition here but note that
the condition

Rng

T

µ

Sym

V

(17)

is equivalent to balance of torques for internal parts.

From here on we will assume that (16) and (17)

are valid. We adjust the codomain of

T

µ

to Sym

V

without change of notation and call

T

µ

:

B

µ

:

−→

Sym

V

the

Cauchy stress

of the force system in the

placement

µ

and the mapping

b

µ

:

B

µ

−→ V

the

external body-force density

in the placement

µ

.

Let a configuration

δ

Conf

B

be given. As in

Section 3.4, we denote the imbedding space for

δ

by

E

δ

and its translation space by

V

δ

, and we use the

results above in the case when

µ

:= imb

δ

and write,

for simplicity,

δ

rather than imb

δ

as a subscript.

Definition 7.

A

force system in the configura-

tion

δ

is a pair

(

F

i

δ

,

F

e

δ

)

which is a force system, both

force-balanced and torque-balanced, in the space

V

δ

in the sense of Definition 6.

Let such a force system (

F

i

δ

,

F

e

δ

) in

V

δ

be given.

We assume that

F

i

δ

has contactors and that

F

e

δ

has

densities. The results (3.16), and (17) remain valid
when the subscript

δ

is used instead of

µ

, when

T

δ

is

interpreted to be the contactor of

F

i

δ

in the placement

imb

δ

, and when

b

δ

is interpreted to be the density of

F

e

δ

in the placement imb

δ

. We may call

T

δ

the

con-

figurational stress

and imb

δ

the

configurational

body force density

for

δ

.

Definition 8.

A

mechanical process

is a time-

family

((¯

δ

t

,

¯

F

i

t

,

¯

F

e

t

)

|

t

I

)

of triples, where

δ

t

|

t

I

)

is a deformation process and, for every

t

I

,

( ¯

F

i

t

,

¯

F

e

t

)

is a force system, both force-balanced and torque-
balanced, in the configuration

¯

δ

t

, as defined by Defi-

nition 7.

3.7. Energy Balance

Energy and heat are fundamental concepts in

thermodynamics.

Definition 9.

A

heat transfer system

is a pair

(

Q

i

, Q

e

)

, where

Q

i

: (Ω

B

)

2

sep

−→

P

I

×

is an interac-

tion and

Q

e

: Ω

B

−→

P

I

×

is additive. The mapping

Q

i

is called the

internal heat transfer

and

Q

e

is

called the

external heat absorption

.

We assume that

Q

e

has densities and

Q

i

has

contactors. Hence, given any placement

µ

in a frame-

space

E

with translation space

V

, we obtain a den-

sity

r

µ

:

B

µ

−→

R

I

and a contactor

q

µ

:

B

µ

−→

Lin (

V

.

R

I )

=

V

such that

Q

e

(

P

) =

Z

P

µ

r

µ

for all

P ∈

int

B

.

(18)

Q

i

(

P

,

Q

) =

Z

Rct

µ

(

P

,

Q

)

q

µ

·

n

P

µ

for all (

P

,

Q

)

(Ω

B

)

2
sep

with

P ∈

int

B

.

(19)

r

µ

is called the

heat absorption field

and

q

µ

the

heat flux

of the given heat transfer system in

the placement

µ

.

Definition 10

An

energetic process

is a sextuple

((¯

δ

t

,

¯

F

i

t

,

¯

F

e

t

,

¯

Q

i

t

,

¯

Q

e

t

,

¯

E

t

)

|

t

I

)

of time-families such

that

((¯

δ

t

,

¯

F

i

t

,

¯

F

e

t

)

|

t

I

)

is a mechanical process,

(( ¯

Q

i

t

,

¯

Q

e

t

)

|

t

I

)

is a time-family of heat transfer sys-

tems, and

( ¯

E

t

|

t

I

)

is an appropiatly defined dif-

ferentiable time-family of additive mappings, called
the

internal energy

.

We

say

that

a

given

energetic

process

((¯

δ

t

,

¯

F

i

t

,

¯

F

e

t

,

¯

Q

i

t

,

¯

Q

e

t

,

¯

E

t

)

|

t

I

) is

energy-balanced

if

¯

P

t

(

P

) + Res

¯

Q

i

t

(

P

) + ¯

Q

e

t

(

P

) = ¯

E

t

(

P

)

for all

P ∈

B

and

t

I ,

(20)

where ( ¯

P

t

|

t

I

) is the power-family determined by

the mechanical process ((¯

δ

t

,

¯

F

i

t

,

¯

F

e

t

)

|

t

I

).

Under suitable conditions, the energy balance

law can be given a local form

3.8. Temperature and Entropy

Theorem 6.

Let a heat transfer system

(

Q

i

, Q

e

)

, as

defined by Definition 10, and a function

θ

:

B −→

P

I

×

of class

C

1

, called

temperature

, be given, and as-

sume that

Q

i

has contactors and

Q

e

has densities.

Then there is a pair

(

H

i

, H

e

)

, where

H

i

: (Ω

B

)

2

sep

−→

R

I

is an interaction and

H

e

: Ω

B

−→

R

I

is the ad-

ditive function such that, for every placement

µ

we

have

H

i

(

P

,

Q

) =

Z

Rct

µ

(

P

,

Q

)

q

µ

θ

µ

·

n

P

µ

for all (

P

,

Q

)

(Ω

B

)

2
sep

with

P ∈

int

B

(21)

and

H

e

(

P

) =

Z

P

µ

r

µ

θ

µ

for all

P ∈

int

B

,

(22)

where

q

µ

is the heat flux in the placement

µ

,

r

µ

is the external heat absorption density in

µ

and

θ

µ

:=

θ

µ

. The pair

(

H

i

, H

e

)

is called the

entropy

7

background image

transfer system

generated by the heat transfer sys-

tem

(

Q

i

, Q

e

)

and the temperature

θ

.

H

i

is called the

internal entropy transfer

, and

H

e

is called the

external entropy absorption

.

The proof is not very difficult.

Definition 11.

Let by a time-famiy

(( ¯

Q

i

t

,

¯

Q

e

t

)

|

t

I

)

of heat transfer systems and a time-family of tem-

peratures

θ

t

|

t

I

)

be given, and let

(( ¯

H

i

t

,

¯

H

e

t

)

|

t

I

)

be the resulting entropy transfer system as de-

scribed in Theorem 6. Let

( ¯

N

t

: Ω

B

−→

R

I

|

t

I

)

be a differentiable time-family of additive mappings,
called the

internal entropy

.

We say that

(( ¯

H

i

t

,

¯

H

e

t

,

¯

N

t

)

|

t

I

)

is a

dissipa-

tive entropical process

if

¯

N

t

(

P

)

Res

¯

H

i

t

(

P

) + ¯

H

i

t

(

P

)

for all

P ∈

int

B

and

t

I .

(23)

Under suitable conditions, the energy balance

law can be given a local form.

Using the local form of the energy balance law

and the local form of the dissipation inequality, one
can obtain the following

intrinsic reduced dissi-

pation inequality

:

¯

ρ

m

θ

¯

η

¯

) +

1

2

tr(¯

S

¯

G

)

1

¯

θ

¯

γ

¯

h

0

,

(24)

where ¯

γ

(

X, t

) :=

X

¯

θ

(

·

, t

)

∈ T

X

for all

X

∈ B

,

t

I

, and where the

intrinsic stress

¯

S

and the

in-

trinsic heat flux

¯

h

are related to the Cauchy-stress

¯

T

and the heat flux ¯

q

by

¯

M

¯

S

¯

M

>

= ¯

T

m

,

¯

Mh

= ¯

q

m

,

(25)

respectively, with ¯

M

(

X, t

) :=

X

µ

t

Lis (

T

X

,

V

)

for all

X

∈ B

, t

I

.

The inequality (24) involves only the (internal)

thermomechanical process

δ,

¯

θ,

¯

F

i

,

¯

Q

i

,

¯

N ,

¯

E

)

and not the external forces, nor the external heat
transfer, nor any external frame of reference. It is
(24) that is used to determine restrictions on frame-
free formulated constitutive laws, as will be explained
in a later presentation by Brian Seguin.

References:

[NS1] W. Noll and B. Seguin:

Basic Concepts of

Thermomechanics

, 20 pages (2009). Published as B5

on the website

www.math.cmu.edu/

wn0g/noll

.

[NLFT] C. Truesdell and W. Noll:

The Non-

Linear Field Theories of Mechanics

, Encyclopedia

of Physics, Vol. III/3, 602 pages. Springer-Verlag,
1965. Second Edition, 1992. Translation into Chi-
nese, 2000. Third Edition, 2004.

[F] R. P. Feynmann, R.B. Leighton. and M. Sands,

The Feynmann Lectures on Physics, Vol. I

, Addison-

Wesley, Reading 1963.

[C] B. D. Coleman:

Memories of Clifford Truesdell

,

Journal of Elasticity

70

, 1-13 (2003).

[CN] B. D. Coleman and W. Noll:

The Thermody-

namics of Elastic Materials with Heat Conduction
and Viscosity

, Archive for Rational Mechanics and

Analysis

13

, 167-178 (1964).

[N1] W. Noll:

A new mathematical theory of simple

materials

, Archive for Rational Mechanics and Anal-

ysis

48

, 1-50 (1972).

[FC]: W. Noll:

Five Contributions to Natural Phi-

losophy

, 73 pages (2004). Published as B1 on the

website

www.math.cmu.edu/

wn0g/noll

.

[N2] W. Noll:

The Conceptual Infrastructure of Math-

ematics

, 5 pages (1995).

Published as A2 on the

website

www.math.cmu.edu/

wn0g/noll

.

[N3]

W.

Noll:

A Frame-Free Formulation of

Elasticity

.

Journal of Elasticity

83

,

291-307

(2006).

Also published as B4 on the website

www.math.cmu.edu/

wn0g/noll

.

[N4] W. Noll:

Proof of the maximality of the or-

thogonal group in the unimodular group

, Archive for

Rational Mechanics and Analysis

18

, 100-102 (1965).

[FDS]

Noll,

W.

:

Finite-Dimensional

Spaces:

Algebra,

Geometry,

and

Analysis,

Vol.I

and

Vol.II

. Published as C1 and C2 on the website

www.math.cmu.edu/

wn0g/noll

.

( Vol.I was pub-

lished by Martinus Nijhoff Publishers in 1987.) Vol.I
has 393 pages. The preliminary manuscript of Vol.II
has about 110 pages and is growing.

[NS2] W. Noll and B. Seguin:

Monoids, Boolean Al-

gebras, Materially Ordered Sets

, International Jour-

nal of Pure and Applied Mathematics

37

, 187-

202 (2007).

Also published as C4 on the website

www.math.cmu.edu/

wn0g/noll

.

[NV] W,Noll and E.Virga:

Fit regions and functions

of bounded variation

, Archive for Rational Mechanics

and Analysis 102, 1-21 (1988),

8