7.6.1 Диффузия

Диффузия деп газ, сұйықтық, қатты дене күйіндегі екі дене өзара жанасқанда олардың бөлшектерінің араласу және бір-бірінің ішіне өту құбылыстарын айтады. Температурасы тұрақты газдағы диффузия – заттың концентрациясы көп аймақтан концентрациясы аз аймаққа масса тасымалдану құбылысы байқалады.

Егер концентрациясы n химиялық біртекті газ (немесе тығыздығы ) х осьі бойынша өзгерсе, онда зат тасымалдау құбылысы Фик заңымен сипатталады:

(7.17)

мұндағы: – уақытта аудан арқылы тасымалдану бағытында өтетін газ массасы; – х өсі бойынша тығыздық градиенті (өзгерісі); – диффузия коэффициенті. Минус таңбасы массаның тасымалдануы тығыздықтың кему бағытына қарай жүретінін көрсетеді.

Масса ағынының тығыздығы , (бірлік аудан арқылы бірлік уақытта өтетін зат массасы) тең болады:

= немесе . (7.18)

Газдардың молекула-кинетикалық теориясынан диффузия коэффициентін анықтауға болады:

, (7.19)

мұндағы - бөлшектердің орташа арифметикалық жылдамдығы, - молекулалардың еркін жүру жолының орташа ұзындығы.

7.6.2 Ішкі кедергі

Ішкі кедергі (тұтқырлық) бір-бірімен араласпай әртүрлі жылдамдықпен параллель қозғалатын газ немесе сұйықтық қабаттары арасында пайда болады.

Бір-біріне параллель және және , жылдамдықтармен қозғалатын (1 және 2) екі сұйықтық қабатын қарастырайық (7.3 – сурет). Жылдамдықтар үшін болсын.

Молекулалар жылулық қозғалыс әсерінен бір қабаттан екінші қабатқа өткенде олар өздерінің ағындағы жылдамдығын, немесе реттелген қозғалыс импульсын да тасымалдайды. Бір қабаттан екінші қабатқа өткен молекулалар соқтығысу нәтижесінде 2 қабаттың реттелген қозғалыс жылдамдығын арттырады, керісінше, 2 қабаттан 1 қабатқа өткен молекулалар 2 қабаттың реттелген қозғалыс жылдамдығын кемітеді.

7.3 – сурет. Тұтқырлық

Молекулалардың бір қабаттан екінші қабатқа импульс тасымалдау нәтижесінде екі қабат арасында Ньютон заңымен анықталатын ішкі үйкеліс күші пайда болады:

. (7.20)

Мұндағы: – ішкі үйкеліс коэффициенті (динамикалық тұтқырлық); – қабаттардың қозғалыс бағытына перпендикуляр бағытталған жылдамдық градиенті; – үйкелісуші қабаттардың ауданы. Егер қабаттың жылдамдығы үдейтін болса, онда күш оң, кемитін болса теріс деп есептеледі. Ньютон заңын бөлшектердің қабаттар арасында тасымалдайтын импульсі үшін де жазуға болады:

. (7.21)

Минус таңбасы импульстің жылдам қозғалатын қабаттан баяу қозғалатын қабатқа тасымалданатынын көрсетеді. Кинетикалық теория негізінде тұтқырлық коэффициенті үшін келесі өрнек анықталған:

, (7.22)

мұндағы: – газ тығыздығы, - молекулалардың еркін жүру жолының орташа ұзындығы, - олардың орташа арифметикалық жылдамдығы.

7.6.3 Жылуөткізгіштік

Жылуөткізгіштік – газдың температурасы жоғары, яғни, энергиясы жоғары қабатынан температурасы төмен, яғни, энергиясы төмен қабатына жылу тасымалдау құбылысы. Молекулалардың ретсіз жылулық қозғалысы газдың ішкі энергиясының бағытталған тасымалдауын тудырады. Газдың жылы қабатындағы молекулалар суық қабатқа өткенде энергиясының бір бөлігін өзін қоршап тұрған бөлшектерге береді.

Егер газ температурасы х өсі бағытында өзгеретін болса, онда оның ішкі энергияның жылуөткізгіштік арқылы осы бағытта тасымалдауны Фурье заңымен сипатталады:

, (7.23)

мұндағы – dt уақытта аудан арқылы оған перпендикуляр бағытта жылуөткізгіштік арқылы тасымалданатын жылу мөлшері; – температура градиенті; – жылуөткізгіштік коэффициенті. Минус таңбасы ішкі энергияның температураның кему бағытында таралатынын көрсетеді. Бірлік уақытта бірлік аудан арқылы өтетін жылу мөлшері жылу ағынының тығыздығы деп аталады:

= немесе . (7.24)

Молекула–кинетикалық теория арқылы жылуөткізгіштік коэффициенті үшін келесі өрнекті табуға болады:

, (7.25)

мұндағы - бөлшектер қозғалысының орташа арифметикалық жылдамдығы, , - молекулалардың еркін жүру жолының орташа ұзындығы, - газ тығыздығы, - газдың тұрақты көлемдегі меншікті жылу сыйымдылығы (ол заттың берілген температурадағы ішкі энергиясын анықтайды ).

Тасымалдау құбылыстарының теңдеулері мен тасымалдау коэффициенттері берілген 7.3– кестеде.

7.3– кесте

Тасымалдау құбылыстары	Тасымалданушы шамалар	Тасымалдау теңдеуі	Тасымалдау коэффициенті
Диффузия	Масса	Фик заңы
Ішкі кедергі (тұтқырлық)	Импульс	Ньютон заңы
Жылуөткізгіштік	Жылу мөлшері (ішкі энергия)	Фурье заңы =

Тасымалдау коэффициенттері өзара келесі қатынастармен байланысқан:

(7.26)

Әдебиеттер:

Негізгі: 1[238-243, 249-269, 280-312 ], 2[88-95, 106-125], 3[114-147]

Қосымша: 12[73-85]

Бақылау сұрақтары:

1. Макроскопиялық зерттеулердің термодинамикалық және статистикалық (молекула-кинетикалық) әдістерінің ерекшеліктері қандай және олар бір-бірін қалай толықтырады?

2. Қысым мен температураның молекула-кинетикалық мәні неде?

3. Тасымалдау құбылысының мағынасын түсіндіріңіз.

8-дәріс