Явления переноса

В термодинамических неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, импульса.

К явлениям переноса относятся внутреннее трение (обусловлено переносом импульса), диффузия (обусловлена переносом массы), теплопроводность (обусловлена переносом энергии).

Внутреннее трение (вязкость). Вязкость возникает между параллельными слоями газа (жидкости), движущимися с различными скоростями. Из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями, в результате чего импульс слоя движущегося быстрее уменьшается, а движущегося медленнее – увеличивается.

рис.21

Сила внутреннего трения подчиняется закону Ньютона:

где η – коэффициент динамической вязкости, dV/dx – градиент скорости, показывающий быстроту изменения скорости в направлении, перпендикулярном направлению движения слоев

Теплопроводность. Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени происходит выравнивание температур вследствие постоянных столкновений. Перенос энергии в форме теплоты подчиняется закону Фурье:

где – плотность теплового потока – величина, равная энергии, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х. Величина называется коэффициентом теплопроводности, – градиент температуры, равен изменению температуры на единицу длины х перпендикулярно рассматриваемой площадки.

где – удельная теплоемкость газа при постоянном объеме, ρ – плотность газа, – средняя скорость теплового движения молекул, – средняя длина свободного пробега.

Диффузия. Явление самопроизвольного взаимного проникновения и перемешивания частиц соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел называется диффузией. Она возникает вследствие неодинаковой плотности в разных частях объема. При постоянной температуре диффузия подчиняется закону Фика:

где – плотность потока массы (равна массе вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку перпендикулярную оси х, т.е. ); D – коэффициент диффузии, – градиент плотности, показывает как меняется плотность на единицу длины х в направлении нормали к единичной площадке.