21.Процессы переноса, законы Фика и Фурье
В термодинамически неравновесных системах происходят особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых осуществляется пространственный перенос массы, импульса, энергии. К явлениям переноса относятся теплопроводность (перенос энергии), диффузия (перенос массы) и внутреннее трение (перенос импульса). Ограничимся одномерными явлениями переноса. Систему отсчета будем выбирать так, чтобы ось х была направлена в сторону в направления переноса. 1. Теплопроводность. Если в первой области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем во второй, то вследствие постоянных столкновений молекул с течением времени происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т. е., выравнивание температур. Перенос энергии в форме теплоты подчиняется закону Фурье: (1) ,где jE — плотность теплового потока — величина, которая определяется энергией, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х, λ — теплопроводность, — градиент температуры, равный скорости изменения температуры на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке. Знак минус говорит о том, что во время теплопроводности энергия перемещается в направлении убывания температуры (поэтому знаки jE и – противоположны). Теплопроводность λ равна плотности теплового потока при градиенте температуры, равном единице. Можно показать, что (2) , где сV — удельная теплоемкость газа при постоянном объеме (количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме), ρ — плотность газа, <ν> — средняя скорость теплового движения молекул, <l> — средняя длина свободного пробега. 2. Диффузия. При диффузии происходит самопроизвольное проникновение и перемешивание частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел; диффузия есть обмен масс частиц этих тел, при этом явление возникает и продолжается, пока существует градиент плотности. Во времена становления молекулярно-кинетической теории по вопросу явления диффузии возникли противоречия. Поскольку молекулы перемещаются в пространстве с огромными скоростями, то диффузия должна происходить очень быстро. Если же открыть в комнате крышку сосуда с пахучим веществом, то запах распространяется довольно медленно. Но здесь нет противоречия. При атмосферном давлении молекулы обладают малой длиной свободного пробега и, при столкновениях с другими молекулами, преимущественно «стоят» на месте. Явление диффузии для химически однородного газа подчиняется закону Фика: (3) , где jm — плотность потока массы — величина, определяемая массой вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х, D — диффузия (коэффициент диффузии), dρ/dx — градиент плотности, который равен скорости изменения плотности на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке. Знак минус говорит о том, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности (поэтому знаки jm и dρ/dx противоположны). Диффузия D численно равна плотности потока массы при градиенте плотности, равном единице. Согласно кинетической теории газов, (4) 3. Внутреннее трение (вязкость). Суть механизма закл-ся в возникновения внутреннего трения между параллельными слоями газа (жидкости), которые двигаются с различными скоростями, есть в том, что из-за хаотического теплового движения осуществляется обмен молекулами между слоями, в результате чего импульс слоя, который движется быстрее, уменьшается, который движется медленнее — увеличивается, что приводит к торможению слоя, который движется быстрее, и ускорению слоя, который движется медленнее. Как известно, сила внутреннего трения между двумя слоями газа (жидкости) подчиняется закону Ньютона: (5) , где η — динамическая вязкость (вязкость), dν/dx — градиент скорости, который показывает быстроту изменения скорости в направлении х, перпендикулярном направлению движения слоев, S — площадь, на которую действует сила F. Согласно второму закону Ньютона взаимодействие двух слоев можно рассматривать как процесс, при котором в единицу времени от одного слоя к другому передается импульс, который по модулю равен действующей силе. Тогда выражение (5) можно записать в виде: (6) , где jp — плотность потока импульса — величина, которая определяется определяемая полным импульсом, переносимым в единицу времени в положительном направлении оси х через единичную площадку, перпендикулярную оси х, dν/dx — градиент скорости. Знак минус говорит о том, что импульс переносится в направлении убывания скорости (поэтому знаки jp и dν/dx противоположны). Динамическая вязкость η численно равна плотности потока импульса при градиенте скорости, равном единице; она вычисляется по формуле (7) Из сопоставления формул (1), (3) и (6), которые описывают явления переноса, следует, что закономерности всех явлений переноса сходны между собой.
Рассмотренные законы Фурье, Фика и Ньютона не вскрывают молекулярно-кинетической сути коэффициентов λ, D и η. Выражения для коэффициентов переноса получаются из кинетической теории. Они записаны без вывода, поскольку строгое и формальное рассмотрение явлений переноса довольно громоздко, а качественное — не имеет смысла. Формулы (2), (4) и (7) дают связь коэффициентов переноса и характеристики теплового движения молекул. Из этих формул следуют простые зависимости между λ, D и η: и
- 1.Кинематика. Перемещение, скорость, ускорение.
- 2.Законы Ньютона
- 3.Закон сохранения импульса
- 4.Работа, кинетическая энергия
- 5.Потенциальные силы, потенциальная энергия, закон сохранения энергии
- 6.Гравитационное поле, потенциальная энергия гравитационного поля
- 7.Центральный удар, абсолютно упругий и абсолютно неупругий удар
- 8.Вращательное движение, угловая скорость, угловое ускорение
- 9.Момент инерции, момент сил, закон вращательного движения
- 10.Термодинамическое уравнение состояния идеального газа
- 11.Кинетическое уравнение состояния идеального газа, внутренняя энергия
- 12.Барометрическая формула Больцмана
- 13.Распределение Максвелла
- 14.Броуновское движение
- 15.Первое начало термодинамики. Работа, теплота ,внутренняя энергия.
- 16.Изобарический и изохорические процессы, теплоемкость в таких процессах
- 17.Изотермический и адиабатический процессы: реализация, работа и уравнения
- 18.Второе начало термодинамики, формулировки Томпсона и Клаузиуса
- 19.Цикл Карно
- Описание цикла Карно:
- 20.Энтропия: определение, закон возрастания энтропии
- 21.Процессы переноса, законы Фика и Фурье
- 22.Закон Кулона, напряженность электрического поля, закон суперпозиции
- 23.Опыт Милликена, заряд электрона.
- 24.Поле электрического диполя
- 25.Теорема Гаусса, примеры ее применения
- 26.Потенциал электрического поля
- 27.Проводники и диэлектрики во внешнем поле
- 28.Диэлектрики, диэлектрическая проницаемость, восприимчивость и вектор поляризации
- 29.Электрическое поле на границе диэлектриков
- 30.Электрическая ёмкость проводника, конденсатор
- 31.Энергия электрического поля