2.1.2 Механизмы переноса субстанций.

Можно выделить три механизма переноса субстанций: молекулярный, конвективный и турбулентный.

Молекулярный механизм.

Молекулярный механизм переноса субстанции обусловлен тепловым движением молекул, взаимодействие между молекулами грубо можно представить как “жесткое” отталкивание на малых расстояниях между их центрами и “мягкое” притяжение на больших. На рис.2.1 представлено изменение потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия в зависимости от .

Сила взаимодействия до отрицательна (отталкивание) и при положительна (притяжение). Кинетическая энергия молекул связана с температурой системы:

(2.1.)

Здесь средняя скорость молекул; масса молекул.

Например, для кислорода при .

В газах молекулы движутся хаотически, без взаимодействия друг с другом (свободный пробег). При понижении температуры системы уменьшается кинетическая энергия. Они теряют возможность преодолевать силы межмолекулярного взаимодействия и система, конденсируясь, переходит из газового состояния в жидкое. Возрастает роль межмолекулярного взаимодействия. При дальнейшем понижении температуры система переходит в кристаллическое состояние - образуется структура кристаллической решетки. Преобладающим является тепловое движение молекул внутри ячейки.

Молекула, перемещаясь из одной точки пространства в другую, переносит все три вида субстанции – массу, импульс и энергию. В условиях равновесия макроскопический перенос субстанций не наблюдается, так как перенос молекул в любом направлении равновероятен. В отсутствии равновесия появляется межмолекулярный перенос массы в направлении от больших значений концентрации к меньшим, импульса - от больших значений скоростей к меньшим, энергии – от больших температур к меньшим.

Перенос массы осуществляется только за счет поступательного переноса молекул, т.е. за счет непосредственного перемещения из одной точки пространства в другую.

Перенос импульса и энергии происходит как за счет поступательного переноса, так и за счет взаимодействия молекул (модель – сталкивание твердых шаров). При сталкивании молекул происходит изменение их скоростей, что приводит к так называемому столкновительному переносу импульса и энергии. В газах перенос импульса и энергии, в основном, за счет поступательного переноса, а в жидкостях, в основном, за счет столкновения молекул.

Конвективный механизм.

Конвективный механизм переноса субстанции обусловлен движением макроскопических объемов среды как целого. Макроскопические величины могут задаваться в каждой точке пространства путем усреднения микроскопических величин.

Движение макроскопических объемов среды приводит к переносу массы (плотность равна массе в единице объема), импульса (импульс единичного объема) и энергии (энергия единичного объема).

Различают свободную и вынужденную конвекцию. Свободная конвекция – за счет силы тяжести, вынужденная вызывается искусственно, с использованием насосов, компрессорных машин, перемешиванием и.т.д.