Молекулярная физика

Глава 5. Явления переноса.

До сих пор мы почти всегда рассматривали системы, находящиеся в состоянии термодинамического, или статистического равновесия. Однако, несмотря на безусловно важную роль равновесных состояний, они все же представляют собой особый случай. Во многих задачах, представляющих огромный физический интерес, мы имеем дело с системами, не находящимися в равновесных состояниях.

Наука, изучающая процессы, идущие при нарушении равновесия, называется физической кинетикой. Физическая кинетика рассматривает необратимые процессы в телах, протекающие с конечными скоростями.

Рассмотрение неравновесных процессов, приводящих систему в состояние равновесия, представляет собой весьма сложную задачу. Поэтому мы подойдем к рассмотрению проблемы с помощью простейших приближенных методов, выбрав в качестве объекта исследования разреженный газ. Тем не менее, такой подход позволяет получить ясное представление о физической сути явлений. Более того, оказывается, что полученные таким образом результаты могут быть применены к рассмотрению неравновесных процессов в системах, находящихся в других фазовых состояниях (например, твердых телах), и с их помощью удается получить хорошие численные оценки в тех случаях, когда точные вычисления становятся весьма затруднительными.

Процессы, протекающие в неравновесных системах, называются процессами переноса.

Сущность процессов переноса – стремление системы достичь равновесного состояния. Характеристикой скорости процессов переноса является время релаксации – время, в течение которого система достигает равновесного состояния (время термолизации - время, за которое система возвращается к распределению Максвелла).

Мы будем рассматривать явления переноса только при малых отклонениях системы от равновесного состояния. Явления переноса можно классифицировать следующим образом:

а) внутреннее трение или вязкость - перенос импульса;

б) теплопроводность - перенос кинетической энергии (тепла);

в) диффузия - перенос массы.

Вообще говоря, явления переноса объединяют более широкий класс процессов. К ним также относится, например, перенос электрического заряда под действием внешнего электрического поля, называемый электропроводностью. Однако электропроводность, как и некоторые другие явления переноса, составляют тему отдельного обсуждения, которое будет проведено в следующем разделе курса.

Целью нашего рассмотрения является получение уравнений, описывающих протекание процессов в статистически неравновесных системах, состоящих из нейтральных атомов или молекул. При решении этих задач физическая кинетика исходит из представлений о молекулярном строении рассматриваемых сред и характере взаимодействия между частицами. Введем основные понятия, необходимые для количественного описания рассматриваемых явлений.