Явления переноса в жидкостях

В жидкостях явления переноса подчиняются тем же уравнениям, что и в газах, но механизм процессов и коэффициенты переноса отличаются от таковых в газах. В жидкостях теряет смысл понятие «средняя длина свободного пробега молекул», поскольку силами взаимодействия между молекулами жидкости пренебречь нельзя. В жидкостях молекула, колеблющаяся около положения равновесия вследствие теплового движения, может получить от соседних молекул избыточную энергию, достаточную для скачка на некоторое расстояние δ. На новом месте частица проведёт некоторое время- время осёдлой жизни, совершая тепловые колебания, пока снова не получит достаточную для скачка энергию. Такие тепловые колебания, сменяющиеся скачками, и есть тепловые движения молекул жидкости. При определении коэффициентов переноса будем использовать средние характеристики. Коэффициент диффузии в жидкости будет выражаться формулой:

, (6.25)

где - средняя скорость молекулы, -среднее время осёдлой жизни. Коэффициент диффузии жидкостей с повышением температуры сильно возрастает из-за уменьшения среднего времени осёдлой жизни. Длительность пребывания молекулы в данном месте определяется вероятностью получения энергии W, достаточной для скачка, которая называется энергией активации молекулы. Вероятностью получить энергию W можно выразить следующим образом:

, (6.26)

где n_o – концентрация молекул с энергией порядка величины kT, n – концентрация молекул с энергией W. Время осёдлости определяется выражением , где А – период колебаний молекулы. Другие коэффициенты переноса можно выразить через введённые здесь параметры. Следует отметить, что с повышением температуры вязкость жидкостей уменьшается (в отличие от газов, у которых она возрастает), поскольку вероятность получить энергию активации, возрастает, а время осёдлости уменьшается. Коэффициент вязкости жидкостей можно выразить формулой:

(6.27)

Здесь С – множитель, зависящий от дальности скачка δ. Экспериментально коэффициент вязкости жидкостей можно измерить с помощью приборов вискозиметров. В большинстве вискозиметров (капиллярных вискозиметрах) используется формула Пуазейля:

, (6.28)

где r – радиус капилляра, ℓ - длина капилляра, V –объём жидкости, протекающей по капилляру в единицу времени под действием разности давлений ∆Р.

В некоторых вискозиметрах используется формула Стокса, тогда коэффициент вязкости рассчитывают по формуле:

(6.29)

Здесь ρ – плотность тела (например, шарика), падающего в жидкости, ρ_ж – плотность жидкости, r –радиус капилляра, - скорость падения тела.

Теплопроводность в жидкостях осуществляется благодаря тому, что более энергичные частицы совершают колебания с большей амплитудой и при столкновении с другими частицами раскачивают их, передавая им энергию. Такой механизм передачи не обеспечивает быстрого переноса энергии, поэтому теплопроводность жидкостей мала, хотя и превосходит теплоёмкость газов.