Явление переноса в газах
НАВИГАЦИЯ ПО СТРАНИЦЕ
легко понять и запомнить
Особые необратимые процессы, возникающие в термодинамически неравновесных системах, называются явлениями переноса. К ним относятся диффузия (перенос массы); теплопроводность (перенос энергии) и вязкость, или внутреннее трение (перенос импульса).
Диффузия (от латинского diffusio – распространение, растекание) — взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества. Диффузия происходит в направлении уменьшения концентрации вещества и ведет к его равномерному распределению по занимаемому объему.
Диффузия имеет место в газах, жидкостях и твердых телах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее — в жидкостях, еще медленнее — в твердых телах, что обусловлено характером движения частиц в этих средах.
Для газа диффузия — это распределение молекул примеси от источника (или взаимная диффузия газа).
Диффузионный поток пропорционален градиенту концентрации и рассчитывается по закону Фика:
Знак минус в уравнении Фика показывает, что диффузионный поток направлен в сторону уменьшения концентрации. При этом коэффициент диффузии D численно равен диффузионному потоку через единицу площади в единицу времени при grad=1. Измеряется коэффициент диффузии в м/с2 . Согласно кинетической теории газов коэффициент диффузии равен:
Так как <>,а <>,получаем, что коэффициент диффузии ~.Таким образом, с увеличением температуры диффузия в газах ускоряется, с ростом давления — замедляется. Диффузия в газах с тяжелыми молекулами протекает медленнее.
Внутреннее трение (вязкость) возникает между слоями газа или жидкости, перемещающимися параллельно друг другу с разными по модулю скоростями.
Если какое-либо тело движется в газе, то оно сталкивается с молекулами газа и сообщает им импульс. С другой стороны, тело тоже будет испытывать соударения со стороны молекул и получать собственный импульс, но направленный в противоположную сторону. Газ ускоряется, тело тормозится, т. е. на тело действуют силы трения. Такая же сила трения будет действовать и между двумя соседними слоями газа, движущимися с разными скоростями.
Таким образом, причиной внутреннего трения в газах является перенос импульса из одного слоя в другой. Сила трения пропорциональна градиенту скорости и описывается законом Ньютона:
Здесь — коэффициент динамической вязкости, зависящей от плотности газа :
Физический смысл в том, что он численно равен импульсу, переносимому в единицу времени через единицу площади при градиенте скорости, равном единице. Коэффициент вязкости газов не зависит от давления газа и растет с повышением температуры
Теплопроводностью называется явление переноса внутренней энергии из одного слоя газа в другой. Если в соседних слоях газа создана и поддерживается разность температур, то между ними будет происходить обмен тепла.
Благодаря хаотическому движению молекулы в соседних слоях будут перемешиваться и их средние энергии будут выравниваться. Происходит перенос энергии от более нагретых слоев к более холодным телам. Тепловой поток q пропорционален градиенту температуры и подчиняется закону Ж. Фурье:
Кинетическая теория газов дает для коэффициента теплопроводности следующее выражение:
где — удельная теплоемкость при постоянном объёме.
Полезные ссылки:
