Явления переноса – это процессы установления равновесия в системе путём переноса массы (диффузия), энергии (теплопроводность) и импульса молекул (внутреннее трение или динамическая вязкость).
В явлении вязкости наблюдается перенос импульса от более быстрых участков потока к менее быстрым. При течении газа или жидкости, например внутри трубы, скорости слоев различны: их распределение при ламинарном течении показано на рис. 1 (длина стрелки показывает скорость данного слоя). Причиной этого является хаотическое тепловое движение молекул, при котором они непрерывно переходят из слоя в слой и в соударениях с другими молекулами обмениваются импульсами. Так, молекулы второго слоя, попадая в слой 1, переносят свой импульс направленного движения , а в слой 2 приходят молекулы с меньшим импульсом . В результате второй слой тормозится, а первый – ускоряется. Опыт показывает, что импульс dp, передаваемый от слоя к слою через поверхность S, пропорционален градиенту скорости du / dx, площади S и времени переноса dt:
|
|
.
В результате между слоями возникает сила внутреннего трения (закон Ньютона)
(1)
где h – коэффициент вязкости среды.
Для идеального газа коэффициент вязкости
(2)
Средняя длина свободного пробега молекул
, (3)
где k = 1,38×10–23 Дж/К – постоянная Больцмана,
d – эффективный диаметр молекул (для воздуха d @ 4×10–10 м),
Т, Р – температура и давление газа.
Средняя скорость теплового движения молекул
, (4)
где R = 8,31 Дж/моль×К – универсальная газовая постоянная,
М – масса одного моля газа (для воздуха М = 28,9 г/моль).
Плотность газа согласно уравнению состояния идеального газа
. (5)
При ламинарном течении через трубу круглого сечения радиусом r (капилляр) и длиной L за время t протекает газ или жидкость, объём V которых определяется по формуле Пуазейля:
, (6)
где D Р – разность давлений на концах капилляра.
Если в баллоне создать избыточное над атмосферным Р 0 давление
D Р = Р – Р 0 = r ж gh (r ж – плотность жидкости в манометре, h – разность уровней жидкости) и соединить капилляр с атмосферой, то за время dt через капилляр вытечет некоторое количество воздуха, масса которого
dm = rdV, (7)
где r – плотность воздуха в капилляре, зависящая (см. формулу (5)) от давления воздуха, dV – объём вышедшего воздуха.
Давление воздуха в капилляре изменяется от Р 0 до Р 0 + rgh, но так, как
rgh << Р 0, то с достаточной точностью можно принять давление воздуха в капилляре равным атмосферному Р 0. Тогда плотность воздуха (из уравнения Менделеева–Клапейрона)
. (8)
Объём воздуха dV, прошедшего через капилляр за время dt, описывается формулой Пуазейля (6):
, (9)
а масса воздуха, вытекающего из баллона, с учётом формул (8) и (9)
|
|
. (10)
Из уравнения состояния идеального газа выразим изменение массы газа dm в баллоне через уменьшение давления в нём.
Так как dP = rжgdh, то
. (11)
Исключая dm из уравнений (10) и (11), получаем
. (12)
Решая это дифференциальное уравнение при условии, что за время опыта давление в баллоне уменьшится от rжgh 0 до rжgh, получаем
. (13)*
Таким образом, формула (13) связывает разность давлений h на концах капилляра с временем t истечения воздуха, его вязкостью h и размерами капилляра r и L.