
- •Раздел в. Молекулярная физика и термодинамика Глава 7. Молекулярная физика
- •7.1. Идеальный газ
- •7.2. Молекулярно-кинетическая теория газов
- •7.3. Молекулярная интерпретация температуры
- •7.4. Изопроцессы
- •7.5. Распределение молекул по скоростям
- •7.6. Средняя длина свободного пробега молекул
- •7.7. Испарение и конденсация
- •7.8. Реальный газ
- •7.9. Влажность воздуха
- •7.9.1. Характеристики влажности воздуха
- •7.9.2. Методы измерения влажности воздуха
- •7.10. Осмос
- •7.11. Аромат продуктов
- •7.12. Обоняние и вкус
- •7.12.1. Обоняние
- •7.12.2. Обонятельный анализатор
- •7.12.3. Механизмы обоняния
- •7.12.4. Методы анализа запахов
- •7.12.5. Вкус
- •7.12.6. Вкусовой анализатор
- •7.13. Принципы фиторемедиации
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 8. Термодинамика
- •8.1. Температура и тепловое расширение тіл
- •8.1.1. Температура
- •8.1.2. Температурные шкалы
- •8.1.3. Единицы температуры
- •8.1.4. Температура атмосферы
- •8.1.5. Тепловое расширение тел
- •8.2. Измерение температуры
- •8.3. Термодинамика равновесных состояний
- •8.3.1. Параметры термодинамической системы
- •8.3.2. Внутренняя энергия системы
- •8.3.3. Теплоемкость и удельная теплоемкость
- •8.3.4. Работа и энергия
- •8.3.5. Первый закон термодинамики
- •8.3.6. Применение первого закона термодинамики к определенным термодинамическим процессам
- •8.3.7. Энтальпия. Закон Гесса
- •8.3.8. Тепловой двигатель
- •8.3.9. Цикл Карно
- •8.3.10. Второй закон термодинамики
- •8.3.11. Энтропия и ее свойства
- •8.3.12. Энтропия и неупорядоченность
- •Контрольные вопросы и задания
- •8.4. Термодинамика необратимых процессов
- •8.4.1. Стационарное состояние
- •8.4.2. Изменение энтропии
- •8.4.3. Продукция энтропии
- •8.4.4. Локальная продукция энтропии
- •8.5. Неравновесная термодинамика
- •8.5.1. Диссипативная функция
- •8.5.2. Явления переноса
- •8.5.3. Перенос массы (диффузия)
- •8.5.4. Перенос массы (объемный поток воды)
- •8.5.5. Перенос теплоты (теплопроводность)
- •8.5.6. Перенос теплоты (конвекция)
- •8.5.7. Перенос импульса (вязкость)
- •8.5.8. Принцип симметрии феноменологических коэффициентов
- •8.5.9. Теорема Пригожина
- •Контрольные вопросы и задания
8.5.4. Перенос массы (объемный поток воды)
Объемный поток это общее движение воды (или иной жидкости), обуславливаемое градиентом давления (или градиентом водного потенциала). Количественно этот объемный поток воды Jв для цилиндрических трубок , таких как клетки ксилемы (водопроводной ткани растений) радиусом r, описывается уравнением Гагена-Пуазейля:
Jв =
,
(8.77)
где
вязкость
жидкости;
градиент давления.
Из уравнения видно, что объемный поток существенно зависит от радиуса трубки: если увеличить радиус вдвое, скорость объемного потока воды увеличится в 24 = 16 раз.
Таким образом, управляемый градиентом давления объемный поток воды является доминирующим механизмом движения воды на большие расстояния..
Используем уравнение Гагена-Пуазейля для оценки потока объемной скорости протекания воды через единицу площади (S = r2) сосуда ксилемы, который в этом случае определяется выражением:
Jв /S=
.
(8.78)
Если средний поток воды в ксилеме составляет 10-3 м/с, коэффициент вязкости воды = 10-3 Пас, а радиус ксилемы r = 20 мкм = 210-5 м, то градиент давления, удовлетворяющий уравнению (8.78), составит = 2104 Н/м3 = 2104 Па/м. Изменение гравитационного потенциала на каждый метр высоты составляет gh/h = 104 Па = 10-2 МПа. То-есть, градиент давления способен превысить силу тяжести и поддержать движение воды в ксилеме.
8.5.5. Перенос теплоты (теплопроводность)
Теплопроводность перенос теплоты от более нагретых тел к менее нагретым, что способствует выравниванию температуры.
При теплопроводности компоненты
линейного закона термодинамики
необратимых процессов имеют вид: Jq
=
;
Lq = –k; Fq
= =
,
где
– плотность потока теплоты (Q
количество теплоты, переносимое за
счет теплопроводности за время dt);
k – коэффициент теплопроводности;
S – площадь, через которую переносится
тепло;
–
градиент температуры. Отсюда можно
получить закон Фурье:
Jq = Lq Fq (8.79)
или Jq = = –k . (8.80)
Единицы измерения плотности потока теплоты Дж/м2с = Вт/м2; коэффициента теплопроводности Вт/мК; градиента температуры град/м.
Типичные значения коэффициента теплопроводности некоторых величин приведены в табл. 8.6.
Табл. 8.6.– Значения коэффициента теплопроводности некоторых веществ
Вещество |
Коэффициент теплопроводности, Вт/мК |
Температура, оС |
Воздух (сухой) « « « « « « Вода « « Бетон Древесина Пластик Кирпич Войлок |
0,0237 0,0243 0,0250 0,0257 0,0264 0,0270 0,0277 0,565 0,599 0,627 2,43 0,126 0,04 0,63 0,04 |
10 0 10 20 30 40 50 0 20 40 20 20 20 20 20 |
Пример
Определить количество теплоты, выделяемое за единицу времени свиньей, которая лежит на бетонном полу толщиной 8 см при температуре 0 0С. Площадь тела свиньи – 3000 см 2; теплопроводность бетона –2,43 Вт/м·К, температура тела 38 0С.
Решение
Подставим числовые значения в формулу (8.16):
dQ =
-4м2(0–38)
К / 8·10-2м
=
= – 2,43 ·3 ·10-1 ·(–38) / 8·10-2 = 346,27 Дж/с.
Контрольное задание
Кирпичная стенка животноводческой фермы имеет размеры 4 м10 м0,15 м. Определить количество теплоты, проходимое на протяжении 12 часов через стенки, если внешняя температура равна 5 0С, внутренняя температура 200. Коэффициент теплопроводности кирпича 0,8 Вт/м·К.
Ответ: 138,24106 Дж.