ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА

Беспорядочность теплового движения молекул газа или жидкости, непрерывные столкновения между ними приводят к постоянному перемешиванию частиц и к изменению их скоростей и энергий. Если в веществе имеется пространственная неоднородность плотности или температуры, то со временем, согласно второму началу термодинамики, происходит обязательное выравнивание этих неоднородностей. В среде возникают потоки энергии, вещества, а также импульса упорядоченного движения частиц. Эти потоки являются физической основой особых процессов, объединенных под общим названием явления переноса. К этим явлениям относится теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение (обусловлено переносом импульса).

3.1. Теплопроводность. @

Теплопроводность – это явление переноса внутренней энергии (теплоты) при наличии неоднородности в распределении температуры. Теплопроводность возникает, например, при наличии разности температур, вызванной какими-либо внешними причинами. При этом молекулы газа в разных местах его объема имеют разные средние кинетические энергии. В результате хаотического теплового движения молекулы, попавшие из нагретых частей газа в более холодные, отдают часть своей энергии окружающим частицам. Наоборот, медленно движущиеся молекулы, попадая из холодных частей объема газа в более нагретые, увеличивают свою энергию за счет соударений с молекулами, имеющими большие скорости и энергии. Это приводит к направленному переносу внутренней энергии газа.

В простейшем одномерном случае, когда температура газа меняется только в одном направлении, например, вдоль оси х, перенос внутренней энергии газа путем теплообмена описывается законом Фурье (1822 г.):

j_E = -λdT/dx

где j_E - это плотность теплового потока, т.е. величина, равная энергии, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х. Величина λ называется теплопроводностью или коэффициентом теплопроводности, dT/dx – градиент температуры, показывающий, как изменяется температура на единицу длины х перпендикулярно рассматриваемой площадке. Знак «минус» показывает, что перенос энергии происходит в направлении убывания температуры. Теплопроводность λ численно равна плотности теплового потока при единичном градиенте температуры.

В общем случае закон Фурье имеет вид: . Здесь - вектор плотности теплового потока, направление которого совпадает с направлением переноса энергии. Согласно молекулярно-кинетической теории газов можно вывести выражение для теплопроводности газа λ ═ c_V‹ℓ›ρ‹υ›/3, где c_V – удельная теплоемкость при постоянном объеме, ρ – плотность газа, ‹υ› - средняя скорость теплового движения молекул, ‹ℓ› - средняя длина свободного пробега молекул (среднее расстояние, которое проходит молекула между двумя последовательными соударениями). Знание теплопроводности различных материалов очень важно, например, при расчете передачи тепла в котлах и нагревателях, а также при создании теплоизоляционных материалов. Например, для теплоизоляции систем от окружающей среды применяются материалы с низкой теплопроводностью – асбест, пенопласт, минеральная вата.

3. 2. Внутреннее трение (вязкость). @

Явление внутреннего трения заключается в ускорении и замедлении слоев газа или жидкости вследствие наличия неоднородности скорости. Между слоями, двигающимися параллельно друг другу с различными по величине скоростями, из-за хаотического теплового движения возникает обмен молекулами с разными импульсами. Это приводит к тому, что медленно перемещающиеся слои тормозят более быстро движущиеся слои и наоборот. При этом возникают силы трения или силы вязкости, направленные по касательной к поверхности соприкосновения слоев. В результате этого импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, а движущегося медленнее – увеличивается, что и приводит к торможению быстрого слоя и ускорению медленного. По третьему эакону Ньютона эти силы равны по величине и противоположны по направлению. Формулу для силы внутреннего трения между двумя слоями газа или жидкости предложил также Ньютон:

3. 3. Диффузия. @

Диффузией называется явление самопроизвольного взаимного проникновения и перемешивания частиц соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел при наличии неоднородности распределения частиц разного сорта. В смесях диффузия вызывается наличием разных концентраций молекул компонентов смеси в разных частях объема. В химически чистых веществах она возникает вследствие неоднородности распределения в пространстве каких либо признаков молекул, не влияющих на их движение (например, радиоактивных меток), такой процесс носит название самодиффузии. В химически однородном газе явление диффузии подчиняется закону Фика (1855 г.):

j_m = -Ddρ/dx

j_m -плотность потока массы ( равна массе вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х, т.е. j_m=Δm/ΔtS), D - коэффициент диффузии, dρ/dx - градиент плотности, показывающий, как изменяется плотность на единицу длины х в направлении нормали к единичной площадке. Знак «минус» указывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности. Коэффициент диффузии численно равен плотности потока массы при градиенте плотности, равном единице. Согласно кинетической теории газов D = ‹ℓ›‹υ›/3.

В общем случае трехмерной диффузии закон Фика имеет вид: = - Dgrad(ρ). Явление диффузии широко распространено в окружающей нас действительности. Любой процесс приготовления пищи – варка варенья, консервирование (соление, маринование), копчение мяса и рыбы, словом, все явления, связанные с пропитыванием продуктов различными растворами, - подчиняются законам диффузии. Процессы диффузии имеют большое значение при модификации и окислительной деструкции в смесях и композиционных материалах на основе полимеров. В биологических мембранах, находящихся в клетках живых организмов, диффузия ионов играет очень важную роль. Широко используется это явление в процессах очистки питьевой воды от хлоридов, сульфатов, нитратов и т.п. с помощью искусственных мембран.

Из сопоставления формул и законов, описывающих явления переноса, видно, что они во многом сходны между собой. Сходство математических выражений обусловлено общностью лежащего в основе всех этих явлений молекулярного механизма перемешивания молекул в процессе их хаотического движения и столкновений друг с другом.