Жидкое состояние вещества.
Ближний и дальний порядок. Характер теплового движения в жидкостях. Радиус и сфера молекулярного действия. Природа сил поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения.
Изучается самостоятельно
Физическая кинетика. Явление переноса.
Если статистическая физика и термодинамика рассматривают равновесные состояния и процессы, то физическая кинетика изучает процессы, возникающие при нарушениях равновесия. Эти процессы являются необратимыми, т.к. система, выведенная из положения равновесия, стремится вернуться в равновесное состояние, что сопровождается ростом энтропии. Переход в равновесное состояние сопровождается также появлением потоков молекул, тепла и т.п. величин. Потоком некоторой величины называется количество этой величины, проходящее в единицу времени через некоторую реальную или воображаемую поверхность. Например, поток жидкости в трубе, поток света через окно, поток тепла через поверхность батареи и т.д. Явления, сопровождающиеся появлением потоков, получили название явлений переноса, поскольку наличие потока означает перенос величины через некоторую воображаемую или реальную поверхность.
Каждое
из явлений переноса обусловлено
неодинаковостью значений в различных
точках пространства некоторой величины
.
Например, при диффузии такой величиной
является концентрация молекул. Мы
ограничимся рассмотрением случаев,
когда величина
зависит только от одной координаты,
например
.
Величину
при рассмотрении явлений переноса
обычно называют градиентом
,
хотя, фактически, эта величина является
проекцией
градиента на соответствующее направление.
Рассмотрим три явления переноса: диффузию, внутреннее трение, теплопроводность, которые описываются эмпирическими уравнениями одного вида.
Диффузией называется обусловленное тепловым движением самопроизвольное выравнивание концентраций компонентов некоторой смеси.
Ограничимся рассмотрением двухкомпонентных смесей газов.
О
бозначим
концентрации молекул одного и другого
веществ
и
.
Допустим, что вдоль оси
созданы градиенты концентраций
и
(11.3)
(рисунок
11.1). Чтобы
исключить влияние на процесс выравнивания
газодинамических потоков (т.е.
макроскопических явлений типа ветра),
будем считать, что давление вдоль
выбранного направления (вдоль оси
)
не изменяется. Поскольку
,
то при
постоянной температуре
в объеме рассматриваемой системы,
постоянной должна быть суммарная
концентрация молекул смешивающихся
веществ:
,
поэтому градиенты концентраций должны
быть связаны соотношением:
(11.4)
Экспериментально установлено, что в описанной ситуации через поверхность площадку S, перпендикулярную оси z , устанавливается поток молекул i-того сорта, равный:
(11.5)
Коэффициент пропорциональности в (11.5) D называется коэффициентом диффузии, а выражение (11.5) – законом Фика.
Экспериментально
установлено, что если в некоторой среде
вдоль оси z
создать градиент температуры
,
то вдоль оси устанавливается поток
тепла через площадку S,
перпендикулярную оси z,:
(11.6)
где – коэффициент теплопроводности. Соотношение (11.6) называют законом Фурье.
Если
в жидкой газообразной среде создан
градиент скорости ее слоев
,
то между слоями возникает сила трения.
(11.7)
Здесь S – величина поверхности, по которой действует сила F.
По второму закону Ньютона взаимодействие с силой F можно рассматривать как результат передачи от одного слоя к другому в единицу времени импульса, т.е. существование потока импульса.
(11.8)
Минусы в правых частях уравнений (11.5), (11.6) и (11.8) отражают тот факт, что перенос соответствующих величин происходит в направлении их убывания.
Для того чтобы описать с МКТ точки зрения процессы переноса необходимо более детально представлять себе процессы взаимодействия молекул и связанные с этими процессами величины.