2.1.2. Механизмы переноса субстанций

Можно выделить три механизма переноса субстанций: молекулярный, конвективный и турбулентный.

Молекулярный механизм

Молекулярный механизм переноса субстанций обусловлен тепловым движением молекул. Взаимодействие между молекулами грубо можно представить как «жесткое» отталкивание на малых расстояниях между их центрами и «мягкое» притяжения на больших. На рис. 2.1. представлены изменения- потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия - в зависимости от.

Рис. 2.1. Типичный вид потенциала межмолекулярного взаимодействия

Сила взаимодействия до₀ отрицательна (отталкивание) и при >₀ положительна (притяжение).

Кинетическая энергия молекул связана с температурой системы:

КТ, (2.1.)

где w_т – средняя скорость молекул; M_т – масса молекул., T – температура.

Например, для кислорода при T = 0C, w_т = 461м/с.

В газах молекулы движутся хаотически, без взаимодействия друг с другом (свободный пробег). При понижении температуры системы уменьшается . Они теряют возможность преодолевать силы межмолекулярного взаимодействия и система, конденсируясь, переходит из газового состояния в жидкое. Возрастает роль межмолекулярного взаимодействия. При дальнейшем понижениитемпературы система переходит в кристаллическое состояние. Образуется структура кристаллической решетки. Преобладающим является тепловое движение молекул внутри ячейки.

Молекула, перемещаясь из одной точки пространства в другую, переносит все три вида субстанций – массу, импульс и энергию. В условиях равновесия макроскопический перенос субстанций не наблюдается, так как перенос молекул в любом направлении равновероятен. В отсутствии равновесия появляется молекулярный перенос масса в направлении от больших значении концентрации к меньшим, импульса – от больших значений скоростей к меньшим, энергии – от больших температур к меньшим.

Перенос массы осуществляется только за счет поступательного переноса, т.е. за счет непосредственного перемещения молекулы из одной точки пространства в другую.

Перенос импульса и энергии происходит как за счет поступательного переноса, так и за счет взаимодействия молекул (модель – столкновение твердых шаров). При столкновении молекул происходит изменение их скоростей, что приводит к так называемому столкновительному переносу импульса и энергии.

В газах перенос импульс и энергия, в основном, за счет поступательного переноса, в жидкостях в основном за счет столкновения молекул.

Конвективный механизм

Конвективный механизм переноса субстанции обусловлен движением макроскопических объемов среды как целого. Макроскопические величины могут даваться в каждой точке пространства путем усреднения микроскопических величин.

Конвективная скорость (x,y,z,t) устанавливается путем осреднения случайных значений молекулярных характеристик в системе для макроскопической величины.

Движение макроскопических объемов среды приводит к переносу массы (плотность = масса в единице объема), импульса (импульс единичного объема) и энергии (энергия единичного объема). Различают свободную и вынужденную конвекцию:

Свободная конвекция происходит за счет силы тяжести, вынужденная вызывается искусственно, с использованием насосов, компрессорных машин, перемешиванием и т.д.