Термодинамикалық жүйелердегі тасымалдау құбылыстары: Диффузия Фик заңы

Газдың қандай-да бір көлемінде біртектілік бұзылған жағдайда (газ тығыздығы, температурасы немесе оның жеке қабаттарының реттелген қозғалысының жылдамдығы) сол физикалық шаманың кеңістіктегі таралуын теңестірге бағытталған заттың, энергияның немесе бөлшектердің реттелген қозғалысының импульсінің ағындары пайда болады. Бұл құбылыстарды тасымалдау құбылыстары деп атайды. Тасымалдау құбылыстарына диффузия, жылуөткізгіштік және ішкі кедергі жатады.

Диффузия

Диффузия деп газ, сұйықтық, қатты дене күйіндегі екі дене өзара жанасқанда олардың бөлшектерінің араласу және бір-бірінің ішіне өту құбылыстарын айтады. Температурасы тұрақты газдағы диффузия – заттың концентрациясы көп аймақтан концентрациясы аз аймаққа масса тасымалдану құбылысы байқалады.

Егер концентрациясы n химиялық біртекті газ (немесе тығыздығы ) х осьі бойынша өзгерсе, онда зат тасымалдау құбылысы Фик заңымен сипатталады:

(7.17)

мұндағы: – уақытта аудан арқылы тасымалдану бағытында өтетін газ массасы; – х өсі бойынша тығыздық градиенті (өзгерісі); – диффузия коэффициенті. Минус таңбасы массаның тасымалдануы тығыздықтың кему бағытына қарай жүретінін көрсетеді.

Масса ағынының тығыздығы , (бірлік аудан арқылы бірлік уақытта өтетін зат массасы) тең болады:

= немесе . (7.18)

Газдардың молекула-кинетикалық теориясынан диффузия коэффициентін анықтауға болады:

, (7.19)

мұндағы - бөлшектердің орташа арифметикалық жылдамдығы, -молекулалардың еркін жүру жолының орташа ұзындығы.

32-СҰРАҚ

Термодинамикалық жүйелердегі тасымалдау құбылысы:тұтқырлық.Ньютон заңы.

Термодинамикалық тепе-теңдіксіз жүйелердегі

Тасымалдау құбылыстары

Газдың қандай-да бір көлемінде біртектілік бұзылған жағдайда (газ тығыздығы, температурасы немесе оның жеке қабаттарының реттелген қозғалысының жылдамдығы) сол физикалық шаманың кеңістіктегі таралуын теңестірге бағытталған заттың, энергияның немесе бөлшектердің реттелген қозғалысының импульсінің ағындары пайда болады. Бұл құбылыстарды тасымалдау құбылыстары деп атайды. Тасымалдау құбылыстарына диффузия, жылуөткізгіштік және ішкі кедергіжатады.

Ішкі кедергі

Ішкі кедергі (тұтқырлық) бір-бірімен араласпай әртүрлі жылдамдықпен параллель қозғалатын газ немесе сұйықтық қабаттары арасында пайда болады.

Бір-біріне параллель және және , жылдамдықтармен қозғалатын (1 және 2) екі сұйықтық қабатын қарастырайық (7.3– сурет). Жылдамдықтар үшін болсын.

Молекулалар жылулық қозғалыс әсерінен бір қабаттан екінші қабатқа өткенде олар өздерінің ағындағы жылдамдығын, немесе реттелген қозғалыс импульсында тасымалдайды. Бір қабаттан екінші қабатқа өткен молекулалар соқтығысу нәтижесінде 2 қабаттың реттелген қозғалыс жылдамдығын арттырады, керісінше, 2 қабаттан 1 қабатқа өткен молекулалар 2 қабаттың реттелген қозғалыс жылдамдығын кемітеді.

7.3– сурет. Тұтқырлық

Молекулалардың бір қабаттан екінші қабатқа импульс тасымалдау нәтижесінде екі қабат арасында Ньютон заңымен анықталатын ішкі үйкеліс күші пайда болады:

. (7.20)

Мұндағы: – ішкі үйкеліс коэффициенті (динамикалық тұтқырлық); – қабаттардың қозғалыс бағытына перпендикуляр бағытталған жылдамдық градиенті; – үйкелісуші қабаттардың ауданы. Егер қабаттың жылдамдығы үдейтін болса, онда күш оң, кемитін болса теріс деп есептеледі. Ньютон заңын бөлшектердің қабаттар арасында тасымалдайтын импульсі үшін де жазуға болады:

. (7.21)

Минус таңбасы импульстің жылдам қозғалатын қабаттан баяу қозғалатын қабатқа тасымалданатынын көрсетеді. Кинетикалық теория негізінде тұтқырлық коэффициенті үшін келесі өрнек анықталған:

, (7.22)

мұндағы: – газ тығыздығы, -молекулалардың еркін жүру жолының орташа ұзындығы, - олардың орташа арифметикалық жылдамдығы.

33-СҰРАҚ