Теплопроводность.

Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных сто­лкновений молекул происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т. е., иными словами, выравнивание температур. Перенос энергии в форме теплоты подчиняется закону Фурье: (48.1)      где jE  — плотность теплового потока — величина, определяемая энергией, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х, l — теплопроводность,    — градиент температуры, равный скорости изменения температуры на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке. Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносится в направлении убывания температуры (поэтому знаки jE  и   – противоположны). Теплопроводность l численно равна плотности теплового потока при градиенте температуры, равном единице.  Можно показать, что (48.2) где сV— удельная теплоемкость газа при постоянном объеме (количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме), r — плотность газа, <v> — средняя скорость теплового движения молекул, <l> — средняя длина сво­бодного пробега.

Законы явлений переноса.

Беспорядочное тепловое движение молекул, непрерывные столк­новения между ними приводят к тому, что молекулы, хотя и срав­нительно медленно, перемещаются из одной точки пространства в другую. В результате столкновений изменяются величина и направ­ление скоростей молекул, что приводит к передаче импульса и энер­гии. По этой причине в газовой среде, если рассматривать бесконечно малые объемы отдельных участков среды, самопроизвольно возникают

флуктуации плотности (концентрации), температуры и давления газа, которые мгновенно исчезают. Если данные неоднородности вызваны посторонним источником и носят постоянный характер, то хаотическое движение молекул стремится ликвидировать эти неодно­родности.

При этом в газе возникают особые процессы, которые носят назва­ние явлений переноса. К ним относятся диффузия, теплопроводность и внутреннее трение 1}.

Если в локальном объеме распределена примесь другого газа (или увеличена плотность данного газа), то хаотическое движение молекул будет способствовать выравниванию концентрации газовых молекул. Процесс выравнивания концентрации газовых молекул (а также молекул жидких и твердых тел) называется диффузией.

В случае неодинаковых температур в различных частях газа те молекулы, которые находятся в более теплых областях, в среднем обладают большей кинетической энергией, чем молекулы в более холодных областях. И здесь молекулярное движение сопровождается суммарным переносом энергии в направлении более холодных частей газа, вследствие чего происходит выравнивание температуры. Этот процесс называется теплопроводностью.

Может происходить также выравнивание скоростей слоев газа, если они движутся с различными скоростями. В среднем импульсы молекул таких слоев различны — молекулы более быстрых слоев имеют большие значения импульсов. Переход молекул из быстрого слоя в более медленный сопровождается переносом импульса и вызы­вает действие импульса сил, ускоряющих медленный слой. Противо­положное по характеру действие оказывают молекулы медленного слоя, перешедшие в быстрый слой,— в этом слое возникают тормозя­щие силы. Суммарный эффект при этом — выравнивание скоростей слоев. Это явление называется внутренним трением, или вяз­костью.