Уравнения (7.1), (7.2) и (7.3) характеризуют явления переноса с макроскопической точки зрения

Таким образом, в основе всех этих трех различных физических явлений лежит один и тот же молекулярный механизм – хаотическое движение и перемешивание молекул. Общность механизма, обуславливающего все эти явления переноса, приводит к тому, что их закономерности должны быть похожи друг на друга, а количественные характеристики тесно связаны друг с другом.

Диффузия – заключается в самопроизвольном взаимном проникновении и перемешивании молекул двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел. В химически чистых газах диффузия возникает в результате неодинаковой плотности в различных частях объема газа. В случае смеси газов причиной диффузии является различие в концентрации отдельных газов в разных частях объема смеси газов. Явление диффузии, если оно не осложнено изменением температуры по объему газа, заключается в переносе массы газа из мест с большей концентрацией данного газа в мест с меньшей концентрацией.

Внутреннее трение связано с возникновением сил трения между слоями газа или жидкости, перемещающимися параллельно друг другу с различными по величине скоростями. Со стороны слоя, движущегося быстрее, на более медленно движущийся слой действует ускоряющая сила. Наоборот, медленно перемещающийся слой тормозит более быстро движущиеся слои газа. Силы трения, которые при этом возникают, направлены по касательной к поверхности соприкосновения слоев. С точки зрения молекулярно-кинетической теории газов, причиной внутреннего трения является наложение упорядоченного движения слоев газа с различными скоростями и хаотического (теплового) движения молекул, интенсивность которого зависит от температуры. Благодаря тепловому движению молекулы переходят из слоя, движущегося со скоростью, в слой, движущийся со скоростью. При этом молекулы переносят импульс своего упорядоченного движения. Если, то молекулы, переходя из слоя, движущегося со скоростью, при столкновениях с молекулами более медленного слоя замедляют свое упорядоченное движение. При этом они переносят большие импульсы и соударения между молекулами приводят к ускорению упорядоченного движения в слое, движущемся со скоростью.

Теплопроводность имеет место тогда, когда в газе существует разность температур, вызванная какими-либо внешними причинами. Молекулы в разных местах объема имеют разные кинетические энергии. Поэтому при хаотическом (тепловом) движении молекул происходит направленный перенос энергии. Молекулы, попавшие из нагретых частей газа в более холодные, отдают избыток своей энергии окружающим частицам. Наоборот, медленно движущиеся молекулы, увеличивают свою энергию за счет соударений с более быстрыми молекулами.

Обратимся к группе важных для практики явлений переноса. К ним относятся явления, происходящие тогда, когда физическая система выведена из состояния равновесия. Беспорядочность теплового движения молекул газа, непрерывные соударения между ними приводят к постоянному перемешиванию частиц, изменению их скоростей, энергий. Если в газе существует пространственная неоднородность плотности, температуры или скорости упорядоченного перемещения отдельных слоев газа, то движение молекул выравнивает эти неоднородности. При этом в газе происходят процессы, объединенные общим названием явления переноса. К этим явлениям относятся теплопроводность, внутреннее трение, диффузия.

Явления переноса в газах

Процессы охлаждения или нагревания тел

,

где – удельная теплоемкость тела, - масса тела.

Общим для всех явлений переноса является то, что они возникают в газах в результате нарушения полной хаотичности движения молекул. Эти нарушения вызваны направленным воздействием на газ: в случае диффузии должна быть создана неоднородность плотности; в случае теплопроводности - неоднородность температуры; в случае внутреннего трения – упорядоченность движения молекул газа со скоростями, неодинаковыми в разных его слоях.

Экспериментально установлено, что перенос массы вещества при диффузии подчиняется закону Фика - масса газа , переносимая через прямо площадку за промежуток времени , прямо пропорциональна быстроте изменения плотности газа на единицу длины в направлении нормали к рассматриваемой поверхности (); эта величина называется градиентом плотности:

, (7.1)

где - коэффициент диффузии, который зависит от сорта газа и от условий, в которых он находится; знак минус в уравнении означает, что масса переносится в сторону убывания плотности.

Явление внутреннего трения, как показал опыт, подчиняется закону Ньютона:

, (7.2)

где - сила внутреннего трения; - градиент скорости направленного движения слоев газа;- коэффициент внутреннего трения или динамическая вязкость. Помимо динамической вязкости применяется также кинематическая вязкость .Знак минус в уравнении означает, что масса переносится в сторону убывания плотности.

Явление теплопроводности подчиняется закону Фурье:

, (7.3)

где - количество тепла, переносимое через площадку; - коэффициент теплопроводности; - градиент температуры.

Дата добавления: 2014-01-07