3. 2. Внутреннее трение (вязкость). @

Явление внутреннего трения заключается в ускорении и замедлении слоев газа или жидкости вследствие наличия неоднородности скорости.Между слоями, двигающимися параллельно друг другу с различными по величине скоростями, из-за хаотического теплового движения возникает обмен молекулами с разными импульсами. Это приводит к тому, что медленно перемещающиеся слои тормозят более быстро движущиеся слои и наоборот. При этом возникают силы трения или силы вязкости, направленные по касательной к поверхности соприкосновения слоев. В результате этого импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, а движущегося медленнее – увеличивается, что и приводит к торможению быстрого слоя и ускорению медленного. По третьему эакону Ньютона эти силы равны по величине и противоположны по направлению. Формулу для силы внутреннего трения между двумя слоями газа или жидкости предложил также Ньютон:

Здесьη- коэффициент динамической вязкости,dv/dx- градиент скорости, показывающий быстроту изменения скорости в направлении, перпендикулярном движению,S- площадь, на которую действует сила (рис. 3.1.). С другой стороны, согласно второму закону Ньютона

–это плотность потока импульса ( т.е. полный импульс, переносимый в единицу времени в положительном направлении оси х через единичную площадку, перпендикулярную оси ). Знак «минус» указывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости. Из данной формулы видно, что динамическая вязкость численно равна плотности потока импульса при градиенте скорости, равном единице. Согласно молекулярно-кинетической теории газов вязкость газов можно вычислить по формуле: η═‹ℓ›ρ‹υ›/3. Коэффициент вязкости играет большую роль в различных технологических процессах, например, в производстве сахара, при уваривании густого сахарного сиропа в вакуумных аппаратах. Важнейшая характеристика полимеров – показатель текучести расплава (указываемый в марке полимера) – напрямую связан с вязкостью. Для выбора оптимальных режимов переработки полимеров (литье под давлением, экструзия) – необходимо управлять процессами плавления и вязкого течения, что невозможно без знаний коэффициентов вязкости.

3. 3. Диффузия. @

Диффузией называется явление самопроизвольного взаимного проникновения и перемешивания частиц соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел при наличии неоднородности распределения частиц разного сорта.В смесях диффузия вызывается наличием разных концентраций молекул компонентов смеси в разных частях объема. В химически чистых веществах она возникает вследствие неоднородности распределения в пространстве каких либо признаков молекул, не влияющих на их движение (например, радиоактивных меток), такой процесс носит название самодиффузии. В химически однородном газе явление диффузии подчиняется закону Фика (1855 г.):

j_m = -Ddρ/dx

j_m-плотность потока массы ( равна массе вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х, т.е.j_m=Δm/ΔtS),D-  коэффициент диффузии,dρ/dx- градиент плотности, показывающий, как изменяется плотность на единицу длины х в направлении нормали к единичной площадке. Знак «минус» указывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности. Коэффициент диффузии численно равен плотности потока массы при градиенте плотности, равном единице. Согласно кинетической теории газовD= ‹ℓ›‹υ›/3.

В общем случае трехмерной диффузии закон Фика имеет вид:= -Dgrad(ρ). Явление диффузии широко распространено в окружающей нас действительности. Любой процесс приготовления пищи – варка варенья, консервирование (соление, маринование), копчение мяса и рыбы, словом, все явления, связанные с пропитыванием продуктов различными растворами, - подчиняются законам диффузии. Процессы диффузии имеют большое значение при модификации и окислительной деструкции в смесях и композиционных материалах на основе полимеров. В биологических мембранах, находящихся в клетках живых организмов, диффузия ионов играет очень важную роль. Широко используется это явление в процессах очистки питьевой воды от хлоридов, сульфатов, нитратов и т.п. с помощью искусственных мембран.

Из сопоставления формул и законов, описывающих явления переноса, видно, что они во многом сходны между собой. Сходство математических выражений обусловлено общностью лежащего в основе всех этих явлений молекулярного механизма перемешивания молекул в процессе их хаотического движения и столкновений друг с другом.