22. Явление переноса в газах и жидкостях. Диффузия в газах.

Беспорядочное тепловое движение молекул в газе приводит к тому, что молекулы переносятся с одного места в другое и при столкновении передают друг другу кинетическую энергию и количество движения. Этот перенос молекул и столкновения между ними обуславливают несколько процессов, которые получили название явлений переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, импульса. К явлениям переноса относятся диффузия,теплопроводностии внутреннее трение.

Если 2 различных газа привести в соприкосновение друг с другом, то тепловое движение молекул будет перемешивать их до тех пор, пока не образуется однородная смесь молекул, в которой парциальная плотность каждого газа будет одинакова во всем объеме.

Этот процесс постепенного перемешивания 2-х или большего числа газов называется диффузией. Явление диффузии наблюдается также в жидкостях и даже твердых телах. Процесс диффузии заключается в том, что каждая из компонент смеси переходит из тех частей объема, где ее порциальная плотность больше, туда, где она меньше.

Явление диффузии подчиняется закону Фика, который справедлив не только для газов, но и для жидкостей и твердых тел:J_m = - D d/dx,гдеJ_m–плотность потока массы– величина, определяемая массой вещества, диффундирующегов единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению переноса (осиOX);D–диффузия (коэффициент диффузии);d/dx– градиент плотности, равный скорости изменения плотности на единицу длины Х в направлении нормали к этой площадке. Знак минус показывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности.

Диффузия Dчисленно равна плотности потока массы при градиенте плотности, равном единице.

Возникающий при наличии разности концентраций диффузионный поток J_mприводит к выравниванию концентраций, т.е. к уменьшению той разности концентраций, которая вызвала этот поток. Такой процесс диффузии, в результате которого происходит выравнивание концентраций компонентов, является нестационарным процессом: при этом как градиент концентрации, так и диффузионный поток изменяются со временем.

Для того, чтобы процесс диффузии был стационарным, необходимо тем или иным путем поддерживать разность концентраций компонент смеси неизменной во времени. Для этого, например, в одной части сосуда необходимо непрерывно добавлять данный компонент, а из другой его части отбирать его в таком же количестве. При стационарной диффузии градиент концентрации остается неизменным во времени. Остается поэтому постоянным и диффузионный поток.

Рассматривая явление диффузии с точки зрения молекулярно-кинетической теории газов, можно получить выражение для коэффициента диффузии D=V/3, гдеV- средняя скорость теплового движения молекул,- средняя длина свободного пробега молекул газа.

23. Явление переноса. Теплопроводность.

Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит выравнивание средних кинетических энергий молекул, т.е. иными словами, выравнивание температур.

С макроскопической точки зрения явление теплопроводности заключается в переносе некоторого количества тепла от более нагретой части вещества к более холодной. Существование градиента температуры dT/dXявляется необходимым условием для возникновения теплопроводности.

Перенос энергии при теплопроводности подчиняется закону Фурье: J_E = -  dT/dX, (1)

где J_E– плотность теплового потока – величина, определяемая энергией, переносимой в форме теплотыв единицу времени через единичную площадку,перпендикулярную направлению переноса (оси ОХ);- теплопроводность,dT/dX– градиент температуры (величина векторная), равный скорости изменения температуры на единицу длины Х в направлении нормали к этой площадке. Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносится в направлении убывания температуры (поэтому знакиJ_EиdT/dXпротивоположны).

Теплопроводность численно равна плотности теплового потока при градиенте температуры, равном единице.

В стационарных условиях, когда за счет какого-либо внешнего источника энергии градиент температуры dT/dXподдерживается постоянным, тепловой поток также не изменяется со временем. В тех же случаях, когда газ (или другое тело), в котором существует градиент температуры, предоставлен самому себе, т.е. к нему извне не подводится энергия, теплопроводность приводит к выравниванию температуры. Такой процесс будет, конечно, нестационарным.

При рассмотрении явления теплопроводности газов с точки зрения молекулярно-кинетической теории можно показать, что  = mnVC_V /3 = VC_V /3, (2)

где C_V– удельная теплоемкость газа при постоянном объеме (количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме),- плотность газа,V- средняя скорость теплового движения молекул,- средняя длина свободного пробега молекул газа,m– масса одной молекулы,n– число молекул газа в единице объема.

Формула (2) позволяет выяснить характер зависимости коэффициента теплопроводности газа от его температуры и давления.