Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


Явления переноса.




В термодинамических неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос массы, количества движения, энергии. К явлениям переноса относятся диффузия, внутреннее трение, теплопроводность. В основе всех 3-х процессов лежит один механизм - хаотическое движение и перемешивание молекул, поэтому их закономерности должны быть похожи, а количественные характеристики тесно связаны друг с другом.

Нарушение равновесия приводит к возникновению пространственной неоднородности какой-либо физической величины (плотности, температуры, скорости упорядоченного движения слоёв).

Движение молекул выравнивает эти неоднородности. Каждая молекула обладает массой , импульсом , энергией .

Явление переноса в газах и жидкостях состоят в том, что в этих веществах возникает упорядоченный, направленный перенос массы (диффузия), импульса (внутреннее трение), внутренней энергии (теплопроводность). При этом в газах нарушается полная хаотичность движения молекул и максвелловское распределение молекул по скоростям.

а). Диффузией называется самопроизвольное взаимное проникновение и перемещение молекул двух соприкасающихся газов, жидкостей или твердых тел.

Рассмотрим это явление вначале с макроскопической точки зрения, а затем с позиции МКТ.

1) DS ^ оси ОХ (рис.6). Пусть в 2-х точках, отстоящих друг от друга на , плотность отличается на Dr.

Согласно закону Фика, установленному экспериментально, масса газа DM, переносимая за время Dt через площадку DS, прямо пропорциональна величине этой площадки, времени Dt и градиенту плотности

(4)

где - плотность газа, - градиент плотности, т.е. изменение плотности на единице длины в направлении наиболее быстрого её возрастания, D - коэффициент диффузии.

Градиент (от лат gradiens - шагающий) - мера измерения какой-либо физической величины при перемещении на единицу длины в направлении наиболее быстрого её возрастания. Если отношение непостоянно, его следует заменить производную . Знак “-” показывает, что перенос массы осуществляется в направлении убывания плотности.

.

Согласно кинетической теории газов .

Коэффициент D - численно равен массе вещества, переносимого в единицу времени через единицу поверхности при градиенте плотности, равном единице. Величина D зависит от вида газа и условий, при которых он находится.

2) Рассмотрим явление диффузии с точки зрения МКТ.

Для простоты рассмотрим два одинаковых взаимно проникающих газа, т.е. массы молекул одинаковы. При одинаковых условиях у таких молекул одинаковы и . Плоскость, которой принадлежит площадка DS, делит систему газов на две области: I и II (рис.7).

Ввиду хаотичности движения молекул считаем, что 1/3 их движется вдоль ОХ, а к площадке DS - 1/6 от общего числа молекул. За время Dt через DS из I в II перейдут N1 молекул:

а в обратном направлении

Уточним, к каким точкам областей I и II следует отнести концентрации молекул n1 и n1 . Через DS проходят молекулы только из того места, где они испытали последнее столкновение, т.е. с расстояния, равного .

Определим разность между числом молекул N1 и N2, проходящих через DS за Dt в обоих направлениях:

|

,

- масса газа, перешедшая через DS за Dt

DM= - (5)

на основе МКТ.

(4) и (5) совпадают, если положить .

При нормальных условиях .

Т.к. то (т.к. не зависит от р) - в разреженных газах диффузия идет быстрее.

Т.к. то D ~

б). Внутреннее трение в газах (вязкость).

Вязкостью газов (жидкостей) называется их свойство оказывать сопротивление перемещению одних слоев относительно других. Явление вязкости связано с возникновением сил трения между слоями газа, перемещающимися параллельно друг другу с различными скоростями. Со стороны более быстрого слоя на медленный действует ускоряющая сила , а со стороны медленного – задерживающая (рис. 8). Силы трения направлены по касательной к поверхности слоев и определяются эмпирической формулой:

 

(6)

где h - динамическая вязкость, - градиент скорости, DS - площадь слоя.

Формула (6) определяет модуль двух противоположно направленных сил и , с которыми слои действуют друг на друга, поэтому отношение тоже берем по модулю.

·с=

Коэффициент h численно равен силе внутреннего трения, действующей на единицу площади поверхности раздела параллельно движущимся слоям при градиенте скорости равном 1.

n= - кинематическая вязкость.

У газов с ростом температуры динамическая вязкость h растёт.

МКТ объясняет вязкость переносом импульса молекул от одного слоя другому.

Выделим в газе два слоя, движущиеся с и (рис. 9). Каждая молекула одновременно участвует в двух движениях:

1).хаотическом с ;

2).упорядоченном с .

Скорость одинакова для всех молекул данного слоя и различна для разных слоёв. Вследствие теплового движения молекулы переходят из слоя в слой. За время Dt через площадку DS в обоих направлениях перейдёт одинаковое количество молекул:

.

Попав в другой слой при соударении, молекула отдаёт или приобретает избыток импульса, в результате импульс быстро движущегося слоя убывает, а медленного - возрастает.

Молекулы, перешедшие из 1-го слоя во 2-й за Dt перенесут через DS импульс , из 2-го в 1-й - :

= , .

В результате через площадку DS за Dt перенесен импульс

,

где .

Каждая молекула, пересекая DS, переносит импульс, полученный в момент её последнего соударения с другой молекулой, происшедшего на расстоянии от DS, т.е. наименьшее расстояние, на котором возможно возникновение градиента скорости между слоями, .

; .

Знак ²минус² указывает, что импульс передается в направлении убывания скорости.

Поскольку

(7)

Из сравнения (6) и (7) следует, что

.

Большое значение имеет знание вязкости газов и жидкостей в военной технике - гидравлические амортизаторы, насосы, трубопроводы, движение летательных аппаратов в атмосфере.

в) Теплопроводность газов.

Явление теплопроводности возникает, если различные слои газа имеют разную температуру, т.е. обладают разной внутренней энергией. С макроскопической точки зрения явление теплопроводности состоит в переносе количества теплоты от более нагретого тела к менее нагретому.

Согласно эмпирическому закону Фурье

.

Количество теплоты , переносимое за время Dt через площадь DS, пропорционально градиенту температуры , площади DS и времени Dt.

c - коэффициент теплопроводности

Знак ²минус ² указывает на то, что тепло переносится в сторону убывания температуры.

.

Коэффициент теплопроводности c - физическая величина, численно равная количеству теплоты, переносимой за единицу времени через единицу площади при градиенте температуры, равном единице.

С точки зрения МКТ перенос количества теплоты означает перенос через площадку DS некоторого количества кинетической энергии беспорядочного движения молекул.

По аналогии с предыдущими случаями:

, где - удельная теплоемкость газа при постоянном объеме.

 

 

Макроскопическая теория Молекулярно-кинетическая теория
Явление Перенесенная физическая величина Закон переноса Закон переноса Коэффициент переноса
Диффузия Масса
Внутр. трение Импульс
Тепло-проводность Внутренняя энергия

 


Поделиться:

Дата добавления: 2014-12-03; просмотров: 549; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.006 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты