Теплопроводность

Явления переноса в термодинамически неравновесных системах

Испарение, сублимация, плавление и кристаллизация. Фазовые переходы I и II рода. Диаграмма состояния. Тройная точка

Тепловое расширение твердых тел

Смачивание. Капиллярные явления

Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Изотермы реального газа и их анализ

Свойства разреженных газов и уравнение Ван-дер-Ваальса для реальных газов

Явления переноса в термодинамически неравновесных системах

Лекция 7

Реальные газы и особенности жидкого и твердого состояний вещества

Цель:Рассмотреть явления переноса (диффузия, внутреннее трение, теплопроводность). Изучить свойства разреженных газов и уравнение Ван-дер-Ваальса. Рассмотреть теоретические и опытные изотермы реального газа, критические состояния, фазовые превращения и фазовые диаграммы. Рассмотреть поверхностное натяжение, капиллярные явления. Ознакомиться с тепловым расширением твердых тел.

План:

Вопросы для самостоятельного изучения:

В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, импульса. К явлениям переноса относятся теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение (обусловлено переносом импульса). Для простоты ограничимся одномерными явлениями переноса. Систему отсчета выберем так, чтобы ось х была ориентирована в направлении переноса.

Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т.е., иными словами, выравнивание температур.

Перенос энергии в форме теплоты подчиняется закону Фурье:

(1)

где j _E — плотность теплового потока — величина, определяемая 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 «—» показывает, что при теплопроводности энергия переносится в направлении убывания температуры (поэтому знаки у j_E и противоположны).

Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.

Теплопроводность λ численно равна плотности теплового потока при градиенте температуры, равном единице. Можно показать, что

(2)

где c_v — удельная теплоемкость газа при постоянном объеме (количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме); ρ — плотность газа; — средняя скорость теплового движения молекул; — средняя длина свободного пробега.

Мысленно проделаем опыт.

Две проволоки одинаковой длины и толщины – медную и стальную – укрепим так, чтобы их концы попали в пламя свечи. Кусочками воска приклеим к ним маленькие гвоздики. Мы увидим, что с медной проволоки они начнут падать раньше. Значит, теплота по медной проволоке распространяется быстрее, чем по стальной.

Опыты показывают, что теплопроводность различных веществ различна. Это значит, что при одинаковых условиях они передают теплоту с разной скоростью.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.

Теплопроводность жидкостей (кроме жидких металлов) занимает промежуточное положение между теплопроводностью твердых тел и газов. Тела и вещества, медленно передающие теплоту, называются теплоизоляторами. К ним, например, относятся пенопласт, мех, вата, поролон, синтепон и др. Тела и вещества, быстро передающие теплоту, называюся теплопроводниками. К ним, в первую очередь, относятся все металлы – в твердом и жидком состоянии.

Все газы очень медленно передают теплоту. Явление теплопроводности газов аналогично диффузии. Оба эти явления суть следствия беспорядочного теплового движения молекул (или атомов) газа.

Дата добавления: 2014-01-11