Явления переноса в неравновесных системах

Если какая-либо физическая характеристика вещества имеет разные значения в разных точках системы, то система будет неравновесной. В таких системах происходят необратимые процессы, называемые явлениями переноса. Следствия этих процессов – выравнивание характеристик вещества по всему объёму.

1) Если неодинакова концентрация частиц, происходит перенос массы вещества; это – диффузия.

2) Если неодинакова скорость направленного движения частиц, происходит перенос импульса; это – вязкость (внутренне трение).

3) Если неодинакова температура, происходит перенос энергии (теплоты). Это – теплопроводность.

Здесь будут рассмотрены только стационарные процессы переноса. Они возникают, если условия на границе системы не меняются достаточно долго. В этом случае в каждой точке системы в конце концов устанавливаются некоторые различающиеся от точки к точке, но не изменяющиеся со временем значения параметров, - это стационарное, но не равновесное состояние. Например, будем поддерживать два конца металлического стержня при разных, но постоянных температурах, а боковую поверхность хорошо теплоизолируем. Тогда по длине стержня установится некоторое стационарное распределение температуры, но через сечение стержня будет переноситься теплота.

Законы, описывающие явления переноса, были открыты экспериментально. Все три явления имеют много общего и могут быть описаны похожими соотношениями.

3. Диффузия.

Пусть концентрация частиц n изменяется только вдоль оси OZ (рис.7.5), тогда вдоль этой оси возникнет перенос частиц из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Опыт показывает, что по закону Фика плотность потока частиц I _N пропорциональна градиенту концентрации :

, (7.9)

где плотность потока частиц, по определению,

(7.10)

это – число частиц, перенесённых за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению переноса. Или:

. (7.11)

Понятно, что число частиц, перенесённых за время через малую площадку , пропорционально и промежутку времени, и величине площадки, а также градиенту концентрации, показывающему, как быстро изменяется концентрация вдоль оси OZ. Знак «минус» в (7.9) и (7.11) показывает, что направление переноса происходит в точки с меньшей концентрацией: если производная положительна (концентрация возрастает в положительном направлении оси OZ), то перенос вещества идёт в отрицательном направлении оси OZ. Коэффициент пропорциональности D в (7.9) и (7.11) называется коэффициентом диффузии.

Умножим обе части (7.11) на массу молекулы :

.

Здесь – плотность, а – масса перенесённого через площадку вещества, тогда закон Фика можно записать в виде:

. (7.12)

Отсюда физический смысл коэффициента диффузии можно сформулировать так: коэффициент диффузии численно равен массе вещества, перенесённого за единицу времени через единичную площадку при единичном градиенте плотности. Размерность коэффициента диффузии

.

Закон (7.12) можно записать в виде, аналогичном (7.9), через плотность потока массы , который равен, по определению, :

.

Дата добавления: 2014-01-20