Дифузія газів. Рівняння Фіка

Процес дифузії полягає у вирівнюванні густини або складу газу в об’ємі. Якщо у процесі дифузії відбувається вирівнювання складу газу по всьому об’єму, то зустрічаємось з явищем, яке називається просто дифузією. Вирівнювання концентрації виникає внаслідок перемішування молекул, причиною якого є їх хаотичний тепловий рух. Переміщення групи молекул під дією різниці концентрації або густини називається дифузійним потоком. Дифузійний потік визначається масою дифузної речовини, яка за одиницю часу проходить через одиницю площі, яка перпендикулярна до напрямку дифузії: [кг/с×м²], і напрямлений у бік зменшення концентрації. Тобто, масу, яка переноситься через площинку S _^ за час Dt,можна визначити за формулою m=j_m S _^ Dt. Іншими словами, дифузія – це процес масопереносу. Згідно із законом Фіка дифузійний потік прямо пропорційний градієнту густини: , або маса газу, що переноситься завдяки дифузії через поверхню S _^, яка перпендикулярна до напрямку Ох, у якому зменшується концентрація, прямо пропорційна до розміру цієї поверхні, проміжку часу і градієнта густини: . Тут враховано, що r = nm_o (де m_o – маса молекули газу). Градієнт густини показує, як швидко змінюється густина у напрямку х і в одновимірному випадку, коли густина (концентрація) змінюється вздовж однієї координати Ох, . Знак "–" вказує, що напрямок дифузійного потоку масопереносу напрямлений у бік зменшення концентрації. Коефіцієнт пропорційності D називається коефіцієнтом дифузії. Коефіцієнт дифузії D чисельно дорівнює масі газу, що переноситься через одиничну площинку S _^ = 1 м² за одиницю часу Dt = 1 с при одиничному градієнті ÷ dr/dx ç=1 кг/м. [ D ] = м²/с. Коефіцієнт дифузії залежить від середньої швидкості молекул і середньої довжини їх вільного пробігу: .

21. Теплопровідність газів. Коли існує різниця температур, викликана будь-якими зовнішніми причинами, виникає теплопровідність. Процес теплопровідності полягає у вирівнюванні температури газу в усьому його об’ємі внаслідок виникнення потоку тепла. Різниця температур означає, що молекули газу в різних місцях його об’єму мають різні середні кінетичні енергії. При хаотичному тепловому русі молекул за рахунок їх зіткнень відбувається обмін енергією між молекулами і вирівнювання температури по всьому об’єму газу. Іншими словами, теплопровідність – це процес переносу енергії. Густина теплового потоку визначається енергією (теплотою), яка за одиницю часу переноситься через одиницю площі, яка перпендикулярна до напрямку дифузії: [Вт/м²] і напрямлена у бік зменшення температури.Згідно із законом теплопровідності Фур’є тепловий потік прямо пропорційний градієнту температури, , або кількість теплоти Q, що переноситься завдяки теплопровідності через поверхню S _^, яка перпендикулярна до напрямку Ох, у якому зменшується температура, прямо пропорційна до розміру цієї поверхні, проміжку часу і градієнта температури: . Це рівняння теплопровідності для одновимірного випадку, коли температура змінюється вздовж однієї координати Ох. Знак "–" показує, що тепловий потік напрямлений у бік зменшення температури. Коефіцієнт пропорційності l називається коефіцієнтом теплопровідності. Коефіцієнт теплопровідності l чисельно дорівнює кількості теплоти, що переноситься через одиничну площинку S _^ = 1 м² за одиницю часу Dt = 1 с при одиничному градієнті ÷ dТ/dx ç=1 К/м. [ l ] = Вт/м×К. (де c_V – питома теплоємність газу). З цієї формули випливає, що, оскільки < l >~ 1/ P, а густина r ~ Р, то добуток r < l > не залежить від тиску газу. Тому коефіцієнт теплопровідності не залежить від тиску газу, за винятком сильно розрідженого газу, коли довжина вільного пробігу стає більшою.

Дата добавления: 2015-05-23