12.2. Диффузия и теплопроводность. Коэффициенты диффузии и теплопроводности

Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул (атомов) постороннего вещества, обусловленный их тепловым движением. Диффузия всегда сопровождается переносом массы вещества. Она характерна для газов, жидкостей и твердых тел. Самодиффузия - процесс взаимного проникновения собственных молекул (атомов), обусловленный их тепловым движением.

Согласно закону, экспериментально установленному Фиком, количество вещества dM, перенесенного через площадку dS, за время dt (первый закон Фика) равно

, (1)

где dс/dz - скорость изменения (градиент) концентрации в направлении z;

"минус" - показывает, что масса переносится в направлении убывания концентрации данной компоненты.

D - коэффициент диффузии.

Коэффициент диффузии - физическая величина, числено равная массе переносимого вещества через единичную площадку в единицу времени при градиенте концентрации, равном единице;

. (2)

Анализ соотношения (2) показывает:

1) так как при постоянной плотности газа  T^1/2, то и D  T^1/2;

2) при T = const   1/p, следовательно, и D  1/p.

Процесс переноса энергии между контактирующими телами или двумя поверхностями одного и того же тела, возникающий из-за разности температур называется теплопроводностью.

Одной из характеристик теплопроводности является тепловой поток. Тепловой поток - физическая величина, которая показывает, какое количество тепла, переносится в единицу времени через площадь dS при градиенте температуры dT/dz

.

Экспериментально Фурье установил закон теплопроводности, согласно которому количество тепла dQ, перенесенное через площадку dS за время dt, равно

,

где æ - коэффициент теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности - физическая величина, которая показывает, какое количество тепла, переносится через единичную площадку, в единицу времени при градиенте температур равном единице; dT/dz - скорость изменения (градиент) температуры в направлении z.

или . (3)

Из формулы (3) видно, что коэффициент теплопроводности не зависит от давления. Между коэффициентами теплопроводности, диффузии и вязкости существует связь

;  = D; .

Из выше рассмотренных положений, характерных для явлений переноса, видно, что все три коэффициента , æ, D зависят от . Определив какой-либо из коэффициентов можно вычислить , а зная  - диаметр молекулы газа. Определенные таким методом значения диаметров молекул газа называют газокинетическими. Надо еще раз отметить, что механизмы всех рассмотренных кинетических явлений характерны для газов, жидкостей и твердых тел.

Полученные результаты рассмотренных явлений представлены в табл. 1.

Кинетические явления (явления переноса). Таблица.1

Явление переноса	Переносимая величина	Уравнение процесса	Коэффициент процесса
Внутреннее трение (вязкость)	Количество движения (импульс)
Теплопроводность	Энергия (теплота)
Диффузия	Масса

Лекция 13

(Строение жидкостей. Свойства жидкостей (вязкость, текучесть, сжимаемость и тепловое расширение). Поверхностное натяжение. Энергия поверхностного слоя жидкости. Давление под искривлённой поверхностью жидкости. Формула Лапласа. Поверхностные явления на границе раздела двух жидкостей или жидкости и твердого тела. Капиллярные явления.

Закон Жюрена.)