7.1 Явища переносу в газах. Теплопровідність. Закон Фур'є. Коефіцієнт теплопровідності газів.
Явища переносу в газах і рідинах полягають у тому, що в цих речовинах виникає впорядкований, напрямлений і не оборотній перенос маси (дифузія), імпульсу (внутрішнє тертя) і внутрішньої енергії (теплопровідність). При цьому порушується повна хаотичність руху молекул і розподіл молекул по швидкостях. Відхиленнями від закону Максвелла пояснюється напрямленим переносом фізичних характеристик речовини.
Введемо спрощення - будемо розглядати тільки одномірні явища, при яких фізичні величини, що визначають ці явища, залежать тільки від однієї координати
Теплопровідність
1. Теплопровідність різних газів різна: так, наприклад, газ аргон має низьку теплопровідність, тому цей газ закачують усередину склопакету, що дозволяє зменшити теплові втрати.
2. Визначення. Теплопровідність – це здатність речовини переносити теплову енергію.
3. Явище теплопровідності спостерігається, якщо в різних частинах розглянутого газу температури різні.
4. З молекулярно-кінетичної точки зору явища теплопровідності пояснюються в такий спосіб. У тій області об'єму газу, де температура вище Т1, кінетична енергія хаотичного теплового руху молекул більше, чим у тій області, де температура Т2 нижче. У результаті хаотичного теплового руху молекули переходять із області Т1 до області Т2. При цьому вони переносять із собою кінетичну енергію. Внаслідок постійних зіткнень молекул із часом відбувається процес вирівнювання середніх кінетичних енергій, тобто вирівнювання температур.
Закон Фур'є
1. Описує явище теплопровідності.
2
.
Визначення. Кількість
теплоти, що переноситьсячерез площину
dS,
перпендикулярно напрямку переносу
прямо пропорційно коефіцієнту
теплопровідності χ,
що залежить від роду речовини або газу,
градієнту температури
,
величини площини dS
і часу спостереження dt.
3.
Знак мінус у законі Фур'є показує, що теплота переноситься в напрямку зменшення температури Т.
4. Застосовується для опису явища теплопровідності в газах.
Коефіцієнт теплопровідності газів χ
1. Характеризує здатність газів проводити тепло.
2.
Визначення. Коефіцієнт
теплопровідності χ
чисельно дорівнює густині теплового
потоку
при градієнті температур
рівному 1.
3. Це скалярна величина.
4. Коефіцієнт теплопровідності газів визначається формулою
,
де
питома теплоємність газу при постійному
об'ємі (кількість теплоти, необхідної
для нагрівання 1 кг газу на 1 К
при постійному об'ємі). ρ
- густина газу,
- середня арифметична
швидкість теплового руху молекул,
- середня довжина вільного пробігу.
5.
7.2 Явище самодифузії. Закон Фіка. Коефіцієнт самодифузії
Явище самодифузії
1. Знайомство з явищем. У повітрі поширюються запахи, розчиняється цукор у воді, склеювання матеріалів, паяння і т.д. У тих випадках, коли в хімічно чистому однорідному газі концентрація молекул буде різною, спостерігається перенос молекул, що приводить до вирівнювання густин (або концентрацій) молекул. Це явище самодифузії.
2. Визначення. Явище проникнення молекул однієї речовини в проміжки між молекулами іншої речовини називається самодифузією.
3. Умови протікання явища. Явище протікає при будь-яких умовах (бо молекули весь час перебувають у хаотичному русі), але з підвищенням температури інтенсивність протікання явища зростає.
4. Явище самодифузії описується законом Фика
5. Пояснюється явище хаотичним рухом молекул.
Закон Фіка
1. Описує явище самодифузії.
2. Визначення. Маса газу, що переноситься через площину dS, перпендикулярну до напрямку переносу за час dt, пропорційна градієнту густини, коефіцієнту самодифузії D, величини площини dS і часу спостереження dt.
3.
,
де D -
коефіцієнт самодифузії,
- градієнту густини, ΔS
- розміри площини Δt
- час спостереження Δt.
Знак мінус показує, що маса газу
переноситься в напрямку убування
густини.
4. Описує явище самодифузії в газах.
Коефіцієнт самодифузії D
1. Характеризує явище самодифузії в газах.
2. Визначення. Коефіцієнт самодифузії чисельно дорівнює масі газу, що переноситься за одиницю часу через одиницю площі перпендикулярну до напрямку переносу, при градієнті густини рівному одиниці.
3. Коефіцієнт самодифузії – це скалярна величина.
4.
Згідно з кінетичною теорією газів
,
де
-середня арифметична швидкість,
-довжина вільного пробігу молекул.
5.
