Явления переноса

Процесс диффузии (одного из явлений переноса) двух различных типов частиц, в единой макросистеме

Явления переноса — процессы, происходящие в термодинамических системах при неизменных внешних условиях.

Возникают при переходе таких систем к равновесному состоянию.

К трем основным явлениям переноса в термодинамике относятся диффузия (перенос частиц), внутреннее трение или вязкость (перенос импульса) и теплопроводность (перенос энергии).

Общее описание явлений

Явления переноса основаны на двух принципах: законы сохранения энергии и импульса, а также определяющие уравнения (материальные соотношения). Законы сохранения энергии и импульса, которые в контексте явлений переноса формулируются как уравнения непрерывности, описывают, как должна сохраняться изучаемая величина. Материальные соотношения описывают, как величина реагирует на различные внешние воздействия посредством переноса.

Так как молекулы газа находятся в непрерывном тепловом движении, то постоянную скорость молекула сохраняет лишь до столкновения с другой молекулой. Столкновения молекул друг с другом стремятся выровнять распределение параметров системы в пространстве. В теории явлений переноса важную роль играет средняя длина свободного пробега <l> — среднее расстояние, которое молекула проходит между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами.

Можно показать, что ${\textstyle <l>={1 \over {\sqrt {2\pi \sigma ^{2}n}}}}$, где

σ — эффективный диаметр молекул, n — концентрация молекул.

Промежутки времени между двумя последовательными соударениями изменяются хаотически, но можно ввести среднюю частоту соударений <z>, то есть среднее число соударений, испытываемое молекулой за единицу времени:

$<z>={v \over <l>}$, где

v — средняя скорость теплового движения.

Диффузия

 → Диффузия

В термодинамике диффузия — явление самопроизвольного взаимного проникновения и перемешивания частиц (в частности, молекул) двух соприкасающихся веществ (газов, жидкостей, твердых тел).

Встречается также самодиффузия, когда частица движется среди ей подобных.

Вязкость

 → Вязкость

В термодинамике вязкость — явление возникновения внутреннего трения между слоями газа или жидкости, движущимися параллельно с различными скоростями.

Со стороны слоя, движущегося более быстро, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила и наоборот, медленно движущийся слой тормозит слой, движущийся быстрее.

Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения.

Теплопроводность

 → Теплопроводность

В термодинамике теплопроводность — перенос тепловой энергии из области с более высокой температурой в область, где температура ниже, посредством хаотического движения частиц.

В газе перенос энергии происходит за счет того, что молекулы, попавшие из нагретой области газа в более холодную, отдают избыток своей кинетической энергии окружающим частицам, а молекулы, попавшие из холодной области в более нагретую, увеличивают свою кинетическую энергию за счет окружающих частиц.

В жидкостях среднее расстояние между частицами сравнимо с размерами частиц, а их средняя кинетическая энергия соизмерима со средней потенциальной энергией межатомного (межмолекулярного) взаимодействия, что ускоряет процесс теплопроводности.

В твёрдых телах теплопроводность зависит от физической природы этих тел.

Явление теплопроводности обусловило создание таких технических устройств как радиаторы охлаждения.

Связь между коэффициентами переноса

Для коэффициентов теплопроводности и вязкости следует, что между ними существует соотношение:

$\lambda =c_{V}\eta$.

Это уравнение устанавливает связь между чисто механическими и тепловыми явлениями в газе.

Если сравнивать выражения для коэффициентов вязкости и диффузии, следует, что они связаны соотношением:

$D={\eta \over \rho }$.

Eсли сравнивать выражения для коэффициентов диффузии и теплопроводности, то получим соотношение:

$D={\lambda \over \rho c_{V}}$.

Любой из коэффициентов переноса, определённый в эксперименте, позволяет оценить среднюю длину свободного пробега молекулы, а следовательно, и размеры молекул.

Источники

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Явления переноса», расположенная по следующим адресам: — «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Явления_переноса» — «https://znanierussia.ru/articles/Явления_переноса» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».