Явища переносу. Значення коефієнта дифузії. Явища переносу. Значення коефієнта в’язкості. Явища переносу. Значення коефієнту теплопровідності.
Т
еплопровідність
є явищем перенесення енергії у формі
теплоти з частини системи, де більша
середня кінетична енергія молекул, у
область системи з меншою середньою
кінетичною енергією, внаслідок чого
відбувається вирівнювання температур
цих частин. Експериментальні
дані добре описуються рівнянням Фур’є:
,
д
е
j –
густина теплового потоку, тобто енергія
у формі теплоти, яка переноситься через
одиничну площадку за одиницю часу;
– градієнт
температури.
Явище в’язкості (або внутрішнього тертя) вже розглядалось в механіці (п.2.6.3) з точки зору механічних властивостей рідин та газів, воно полягає у виникненні сили внутрішнього тертя між шарами рідини. Наразі розглядається механізм виникнення сили внутрішнього тертя.
В’язкість (або внутрішнє тертя)є процес перенесення молекулами імпульсу, від одного шару рідини (або газу) до іншого, якщо швидкість напрямленого руху є різною в різних місцях простору.
Закон Ньютона для явища в’язкості формулюється так: імпульс, який переноситься через одиничну площадку за одиницю часу є пропорційним до градієнта швидкості
Дифузія – процес самовільного вирівнювання густини (концентрації) суміші газів, рідин та, навіть, твердих тіл, тобто перенос маси.
Явище дифузії підлягає закону Фіка: маса газу, яка переноситься через одиничну площадку за одиницю часу пропорційна градієнту густини. Знак „мінус” у формулі показує, що перенесення маси спрямоване в бік зменшення густини:
Поняття ентропії та вільної енергії. Зміна ентропії в замкнутих системах (Зміна ентропії в циклі Карно).
З нерівності Клаузіуса відомо, що для оборотних циклів сума зведених кількостей теплоти дорівнює нулю:
З аналізу ж відомо, що коли криволінійний інтеграл, узятий по замкнутому контуру, дорівнює нулю, то існує така функція від змінних інтегрування, повний диференціал якої дорівнює під-інтегральному виразу. Цю функцію називають ентропією і позначають буквою S.Для неї можна записати
Ентропія є функцією стану речовини, оскільки її значення не залежить від шляху інтегрування, а лише від початкових і кінцевих параметрів стану.
За зміною ентропії визначають можливість протікання того або іншого процесу та ін. Зміну ентропії для оборотних процесів знайдемо за формулою
цикл Карно. Робочим тілом у машині Карно є ідеальний газ. Цикл здійснюється в циліндрі, стінки і поршень якого нетеплопровідні, дно циліндра теплопровідне. Саме через дно циліндра газ приводиться в тепловий контакт з нагрівником і холодильником. Останні є тілами дуже великої теплоємності, тому під час циклу їх температура залишається сталою: нагрівника -T1, холодильника - Т2.
Цикл Карно складається із двох ізотермічних процесів 1-2 і 3-4 та двох адіабатичних процесів 2-3 і 4-1 (рис. 2). В процесі 1-2 робоче тіло отримує від нагрівника кількість теплоти Qj, а в процесі 3-4, робоче тіло віддає холодильнику кількість теплоти Q2
Перший закон термодинаміки та його застосування до процесів у газах.
Перший принцип термодинаміки виражає закон збереження і перетворення енергії в застосуванні до теплових процесів.
Q= DU+ A.
Його читають так: кількість теплоти, яку дістає система ззовні, йде на збільшення внутрішньої енергії системи і на виконання роботи проти зовнішніх сил.
З формулювання першого принципу термодинаміки зовсім не випливає, що завжди, коли система дістає певну кількість теплоти, її внутрішня енергія збільшується. Може статися, що система дістає теплоту ззовні, а її внутрішня енергія зменшується. Це буде тоді, коли система виконує роботу, більшу від теплоти, яку вона дістає (А>Q), і тому на цю роботу витрачається частково внутрішня енергія. До цього треба також додати, що величини Qі А можуть бути і додатними, і від’ємними. Коли Q<
система віддає тепло; якщоА< 0, робота виконується над системою за рахунокенергії зовнішніх тіл