- •Кгту-кхти. Кафедра физики. Поливанов м.А., Старостина и.А., Кондратьева о.И.
- •1. Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов
- •1.1. Термодинамические параметры. @
- •1. 2. Уравнение состояния идеального газа. @
- •1. 3. Основное уравнение молекулярно – кинетической теории идеальных газов и его следствия. @
- •1. 4. Барометрическая формула. @
- •1. 5. Закон Больцмана о распределении частиц во внешнем потенциальном поле. @
- •1. 6. Распределение Максвелла молекул идеального газа по скоростям. @
- •2. Основы термодинамики
- •2.1. Внутренняя энергия. @
- •2.2. Первое начало термодинамики. @
- •2. 3. Теплоемкость. @
- •2. 4. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам.@
- •2. 6. Энтропия. @
- •3. Явления переноса
- •3.1. Теплопроводность. @
- •3. 2. Внутреннее трение (вязкость). @
- •3. 3. Диффузия. @
- •4. Реальные газы
- •4.1. Понятие фазы и фазовых переходов. @
- •4. 2. Уравнение Ван-дер-Ваальса. @
- •4. 3. Изотермы реальных газов. @
- •5. Жидкости
- •5. 1. Свойства и строение жидкостей. @
- •5. 2. Поверхностное натяжение жидкостей. @
- •5. 3. Смачивание. Краевой угол. @
- •5. 4. Поверхностное испарение и кипение жидкостей. @
- •6. Особенности твердого состояния вещества
- •6.1. Структура твердых тел. @
- •6. 2. Физические типы кристаллических решеток. @
- •6. 3. Теплоемкость кристаллов. @
- •6.4. Плавление и кристаллизация.@
3. Явления переноса
Беспорядочность теплового движения молекул газа или жидкости, непрерывные столкновения между ними приводят к постоянному перемешиванию частиц и к изменению их скоростей и энергий. Если в веществе имеется пространственная неоднородность плотности или температуры, то со временем, согласно второму началу термодинамики, происходит обязательное выравнивание этих неоднородностей. В среде возникают потоки энергии, вещества, а также импульса упорядоченного движения частиц. Эти потоки являются физической основой особых процессов, объединенных под общим названием явления переноса. К этим явлениям относится теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение (обусловлено переносом импульса).
3.1. Теплопроводность. @
Теплопроводность – это явление переноса внутренней энергии (теплоты) при наличии неоднородности в распределении температуры.Теплопроводность возникает, например, при наличии разности температур, вызванной какими-либо внешними причинами. При этом молекулы газа в разных местах его объема имеют разные средние кинетические энергии. В результате хаотического теплового движения молекулы, попавшие из нагретых частей газа в более холодные, отдают часть своей энергии окружающим частицам. Наоборот, медленно движущиеся молекулы, попадая из холодных частей объема газа в более нагретые, увеличивают свою энергию за счет соударений с молекулами, имеющими большие скорости и энергии. Это приводит к направленному переносу внутренней энергии газа.
В простейшем одномерном случае, когда температура газа меняется только в одном направлении, например, вдоль оси х, перенос внутренней энергии газа путем теплообмена описывается законом Фурье (1822 г.):
jE= -λdT/dx
где jE- это плотность теплового потока, т.е. величина, равная энергии, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х. Величинаλназывается теплопроводностью или коэффициентом теплопроводности,dT/dx– градиент температуры, показывающий, как изменяется температура на единицу длины х перпендикулярно рассматриваемой площадке. Знак «минус» показывает, что перенос энергии происходит в направлении убывания температуры. Теплопроводность λ численно равна плотности теплового потока при единичном градиенте температуры.
В общем случае закон Фурье имеет вид: . Здесь - вектор плотности теплового потока, направление которого совпадает с направлением переноса энергии. Согласно молекулярно-кинетической теории газов можно вывести выражение для теплопроводности газаλ═cV‹ℓ›ρ‹υ›/3, гдеcV – удельная теплоемкость при постоянном объеме, ρ – плотность газа, ‹υ› - средняя скорость теплового движения молекул, ‹ℓ› - средняя длина свободного пробега молекул (среднее расстояние, которое проходит молекула между двумя последовательными соударениями). Знание теплопроводности различных материалов очень важно, например, при расчете передачи тепла в котлах и нагревателях, а также при создании теплоизоляционных материалов. Например, для теплоизоляции систем от окружающей среды применяются материалы с низкой теплопроводностью – асбест, пенопласт, минеральная вата.
Рис.3.1.
Силы внутреннего трения.