Дифузія

Якщо у локальному об¢ємі розподілена домішка іншого газу (або збільшена його густина), то хаотичний рух молекул буде сприяти вирівнюванню концентрації цих газових молекул. Процес вирівнювання концентрації газових молекул (а також молекул рідин, і навіть твердих тіл) і називають дифузією. В результаті відбувається самодовільне проникнення та перемішування частинок двох газів (рідин, твердих тіл), які стикаються. Тобто, дифузія полягає у обміні масами частинок дотичних тіл і триває доти, доки існує неоднорідність їхньої густини (або концентрації).

Припустимо, що густина r або концентрація n хімічно однорідного газу змінюється у напрямку осі Х, а в межах малої площини D S, яка перпендикулярна осі Х, густина або концентрація вважаються практично сталими. Якщо концентрація молекул з одного боку площини (наприклад, ліворуч) більша, ніж з іншої, то кількість молекул, які пройшли зліва направо буде більшою, ніж у протилежному. Отже, можна казати про переважне дифундування (перенос) маси газу у певному напрямку. При зроблених припущеннях зміна концентрації молекул газу D n відбувається на відстані D х, а величина D n/ D х має назву градієнту концентрації (а D r/ D х – градієнту густини), які визначаються бистротою зміни концентрації (або густини) на одиницю довжини х у напрямку нормалі до площини D S. На основі дослідних даних, швейцарським фізиком А.Фіком було встановлено, що маса молекул газу, яка переноситься при дифузії через площину D S за проміжок часу D t визначається формулою:

(5.39)

де D – коефіцієнт дифузії. Знак “мінус” показує, що перенос молекул або маси в процесі дифузії завжди відбувається в напрямку зменшення концентрації або густини. Ця формула називається рівнянням дифузії або законом Фіка і у диференціальній формі записується у вигляді:

(5.40)

Одиниця виміру коефіцієнту дифузії – квадратний метр за секунду (м²/с), а чисельно він дорівнює масі речовини, яка переноситься через одиничну площину за одиницю часу при одиничному градієнті густини (або концентрації). Згідно із молекулярно-кінетичною теорією, для газів коефіцієнт дифузії становить:

(5.41)

Внутрішнє тертя (в¢язкість)

Механізм виникнення внутрішнього тертя між паралельними шарами газу або рідини, рухомими з різними швидкостями полягає в тому, що завдяки хаотичному тепловому руху відбувається обмін молекулами між шарами. В результаті цього імпульс шару, рухомого швидше, зменшується, а рухомого повільніше – збільшується, що приводить до гальмування більш швидкого шару та прискорення більш повільного. При цьому виникає сила тертя, яка діє на даний шар з боку сусідніх шарів і пропорційна площадці D S, що лежить у площині стикання двох шарів газу або рідини, та градієнту швидкості dV/dx, який показує бистроту зміни швидкості у напрямку х, перпендикулярному напрямку руху шарів. Закон внутрішнього тертя був встановлений І.Ньютоном, який для сили внутрішнього тертя між шарами газу або рідини має вигляд:

(5.42)

де h - коефіцієнт динамічної в¢язкості, який чисельно дорівнює силі внутрішнього тертя, яка діє на одиницю площини при одиничному градієнті швидкості. Знак “мінус” показує, що перенос молекулами імпульсу в процесі в¢зкості завжди відбувається в напрямку зменшення швидкості. Одиниця виміру коефіцієнту в¢язкос-ті – Паскаль-секунда (Па×с). Коефіцієнт динамічної в¢язкості розраховують за формулою:

(5.43)

де r - густина газу або рідини.

Дата добавления: 2014-11-07