Неравновесные системы. Явления переноса

Физическая кинетика изучает процессы с конечными скоростями (в отличие от термодинамики, которая изучает состояния равновесия или медленные процессы).

Если газ пребывает в равновесном состоянии, то все его физические параметры (плотность, температура и т.д.) одинаковы во всех частях системы. Если же имеется пространственная неоднородность температуры, плотности, скорости упорядоченного движения сдоя газа, то вследствие теплового беспорядочного движения молекул произойдёт выравнивание этих неоднородностей.

Такое выравнивание неоднородностей будет сопровождаться особыми физическими процессами – явлениями переноса: диффузией, вязкостью, теплопроводностью.

Если система находится в неравновесном состоянии, то, представленная самой себе, она будет постепенно переходить к равновесному состоянию.

Время в течении, которого система достигает равновесного состояния, называется временем релаксации.

Явления переноса имеют сходное математическое описание. Это не случайно. Все эти явления возникает в газе в результате нарушений хаотичности движения молекул и возникновением направленного переноса массы, импульса, энергии.

3. Теплопроводность.

Теплопроводность наблюдается, если в различных частях газа температура не одинакова, следовательно, различна средняя кинетическая энергия молекул. Молекулы, попавшие из нагретых слоёв в более холодные, отдадут избыток энергии окружающим частицам. При этом осуществляется направленный перенос энергии от нагретых частей к более холодным.

Уравнение, которое описывает процесс теплопроводности, называется законом Фурье. Согласно этому закону, количество теплоты , переносимое в единицу времени через площадку , пропорционально градиенту температуры в направлении , перпендикулярном этой площадке. Таким образом:

Где – коэффициент теплопроводности. Знак “–” в законе Фурье указывает на то, что теплота переносится в направлении убывания температуры (рис. 13.4).

Рис. 13.4

Коэффициент теплопроводности определяет скорость передачи тепла от более нагретых к менее нагретым участкам. Найдём выражение для коэффициента теплопроводности.

Предположим, что температура газа вдоль оси меняется по линейному закону. Рассмотрим в этом газе площадку , которая находится при температуре и подсчитаем количество тепла, которое за время

переносится через эту площадку (рис. 13.5).

	Благодаря хаотичности движения молекул в направлении оси в единицу времени слева направо и справа налево будет проходить 1/6 молекул, находящихся в единице объёма (вдоль одной оси, например х, в обе стороны проходит ~1/3 всех молекул). ,
Рис. 13.5

где концентрация молекул и средняя арифметическая скорость молекул, которые будем считать по обе стороны площади приблизительно одинаковыми.

Количество энергии переносимое молекулами за секунду через площадку в направлении , учитывая, что энергия одной молекулы: ( число степеней свободы молекулы).

(*)

Молекулы будут переходить через площадку с той энергией, которую они получили в результате последнего соударения. Можно приближённо считать, что последнее соударение произошло на расстоянии средней длины свободного пробега (то же показывает расчёт ).

Изменение температуры на длине свободного пробега , тогда

,

.

Подставим в (*), получим:

.

Умножая на , где масса молекулы, число Авогадро, получим:

.

Учитывая, что плотность газа,

газовая постоянная,

молярная масса,

.

Так как молярная теплоёмкость при постоянном объёме , а удельная теплоёмкость при постоянном объёме.

(**)

Сравнивая (**) с законом Фурье:

,

получаем выражение для коэффициента теплопроводности:

Проанализируем зависимость от некоторых параметров. поскольку плотность пропорциональна давлению , а длина свободного пробега обратно пропорциональна , то приходим к выводу, что не зависит от давления. Представим как

получим, что пропорционален ,

обратно пропорционален , т.е. .

Последний факт служит основой того, что для обдува электрических генераторов (для охлаждения) используются лёгкие газы: водород и гелий.

Вязкость.

Вязкость (внутреннее трение) – свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной части относительно другой. В равновесном состоянии различные части газа покоятся друг относительно друга. При их относительном движении возникают факторы, стремящиеся уменьшить относительную скорость т.е. возникает сила торможения, или вязкость.

Механизм этих сил в газах сводится к обмену импульсом упорядоченного движения между различными слоями газа, т. е. к переносу импульса упорядоченного движения.

Пусть зависимость скорости направленного движения различных

	частей газа . Выделим три площадки площадью находящиеся на расстоянии длины свободного пробега друг от друга и имеющие скорость , , (рис. 13.6). Выражения для проекции силы внутреннего трения на направление движения (скорости). (без вывода).
Рис. 13.6

(закон внутреннего трения),

где градиент скорости слоёв газа в направлении , площадь трущихся слоёв, - коэффициент динамической вязкости, который равен (без вывода)

Диффузия.

Диффузия – самопроизвольное выравнивание концентраций вещества, вследствие которого осуществляется направленный перенос массы.

В состоянии равновесия плотность каждой из компонент (в общем случае газ может состоять из нескольких компонент) во всех точках одинакова. При отклонении плотности от равновесного значения в некоторой области в системе возникает движение компонент вещества в таких направлениях, чтобы сделать плотность каждой из компонент постоянной по всему объёму системы. Связанный с этим движением перенос вещества (массы) компонентов и называется диффузией. Закон Фика (без вывода):

Его смысл: масса вещества , переносимого через площадку за единицу времени пропорциональна градиенту плотности вещества ( той компоненты) в направлении , перпендикулярном площадке .

Коэффициент диффузии (без вывода):

	.
	Закон Фика можно привести (разделив обе части на массу одной молекулы) к виду: где число молекул той компоненты, перенёсённых через площадку в единицу времени, градиент концентрации той компоненты вдоль (рис. 13.7).
Рис. 13.7

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое прицельное расстояние, эффективный диаметр?

2.Что называется средней длиной свободного пробега молекулы? от чего зависит длина свободного пробега молекулы?

3.Какие процессы называются явлениями переноса?

4.Что такое время релаксации?

5.Запишите закон Фурье. Что переносится в процессе теплопроводности?

6.Получите выражение для коэффициента теплопроводности. От каких величин он зависит?

7.Запишите закон внутреннего трения. Что переносится в процессе внутреннего трения?

8.Чему равен коэффициент динамической вязкости?

9.Сформулируйте закон Фика. Что переносится в процессе диффузии?

10.Что является конечным результатом явлений переноса в изолированных системах? Когда они прекращаются?

11.Укажите общие признаки процессов переноса.