Явления переноса.
В ТД неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, импульса и т.д.
1) Теплопроводность обусловлена переносом тепловой энергии в виде кинетической энергии молекул. Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений происходит процесс выравнивания средней кинетической энергии молекул, т.е. происходит выравнивание температуры. Перенос энергии подчиняется закону Фурье:
,
где
- плотность теплового потока – величина,
определяемая энергией, переносимой в
форме теплоты в ед. времени через ед.
площадку перпендикулярную оси х.
- градиент температуры, равный скорости
изменения температуры. Знак «-» показывает,
что при теплопроводности энергия
переносится в сторону убывания
температуры.
2) Диффузия обусловлена переносом массы за счет изменения концентрации. Диффузия происходит при самопроизвольном проникновении и перемешивании частиц 2-х соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел. Диффузия существует, пока существует градиент плотности. Явление диффузии подчиняется закону Фика:
,
где
- плотность потока массы – величина,
определяемая массой вещества, переносимой
в ед. времени через ед. площадку
перпендикулярную оси х.
- градиент плотности, равный скорости
изменения плотности. Знак «-» показывает,
что при диффузии масса переносится в
сторону убывания плотности.
3) Внутреннее трение (вязкость) обусловлена переносом импульса за счет импульсов молекул. Механизм возникновения внутреннего трения между параллельными слоями заключ. в том, что из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями, в результате чего импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, а слоя, движущегося медленнее, увеличивается, что приводит к торможению более быстрого слоя и ускорению более медленного. Сила внутреннего трения между двумя слоями подчиняется империческому закону Ньютона:
- градиент скорости, показывающий
быстроту изменения скорости в направлении
перпендикулярном движению слоев. S
– площадь, на которую действует сила
F.
Взаимодействие двух слоев согласно второму закону Ньютона можно рассматривать как процесс, при котором одного слоя к другому в ед. времени передается импульс, по модулю равный действующей силе.
,
где
- плотность потока импульса – величина,
определяемая полным импульсом вещества,
переносимым в ед. времени через ед.
площадку перпендикулярную оси х.
Знак «-» показывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости.
Динамическая вязкость численно равна плотности потока импульса при градиенте скорости = 1.
Для газа:
Нулевое начало термодинамики. Первое начало термодинамики.
Нулевое начало ТД: с течением времени замкнутая ТД система переходит в равновесное состояние и самопроизвольно из него не выходит. Процесс перехода из неравновесного в равновесное называется релаксацией
Первое начало ТД: существует 2 формы обмена энергией между ТД–системами при их взаимодействии или существует 2 формы воздействия на ТД-системы для изменения ее внутренней энергии – работа и теплота. 1-ое начало ТД фактически является законом сохранения и превращения энергии: при разнообразных процессах, протекающих в природе, энергия не возникает из ничего и не уничтожается, а превращается из одних видов в другие.
Теплопередача – это процесс превращения энергии, обусловленный разностью температур взаимодействующих тел.
Количество теплоты – это величина переданной энергии при теплопередаче.
Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии и на совершение работы данной системы над внешними телами.
Для бесконечно малого процесса,
,
работа и количество теплоты, в отличие
о внутренней энергии, не является
функциями состояния, они являются
характеристиками совершаемого процесса.
Математически это различие заключается
в том, что приращение внутренней энергии
является полным дифференциалом, а
элементарная работа и кол-во теплоты
не является полным дифференциалом.
Из 1-го начала ТД вытекает, что невозможно создать вечный двигатель 1-го рода, т.е. такую машину, которая может совершать работу неограниченно долго без подвода тепла.