4.3. Общее уравнение переноса в газах
Пусть некоторая величина G характеризует какое-либо молекулярное свойство, отнесенное к одной молекуле (это может быть концентрация, импульс, кинетическая энергия и т. д.). если же имеется градиент G, то в направлении его уменьшения происходит движение G за счет явления переноса.
Рис.2.26.
Пусть ось x
направлена вдоль градиента G
(рис. 2.26). среднее расстояние, пробегаемое
молекулами, пересекающими перпендикулярную
x
площадку dS,
после последнего столкновения можно
оценить величиной .
Эта величина в большинстве случаев
достаточно мала, поэтому значение G
на расстоянии
от площади dS
(находящейся в точке x=0)
можно представить в виде
![]()
(т. е. мы ограничились первым членом разложения G в ряд Тейлора в точке x=0).
Плотность потока числа молекул в направлении оси x равна
.
Следовательно,
поток G
в направлении оси x
(
)
через единичную площадку равен
![]()
а поток в обратном направлении
.
Полный поток величины G в направлении оси x будет равен
![]()
– это основное уравнение процесса переноса.
Применим его к различным видам переноса.
4.4. Диффузия
Если молекулы одного сорта газа проникают в среду другого газа (и наоборот), то говорят о взаимной диффузии. Можно наблюдать и так называемое явление самодиффузии, когда меченые (например, радиоактивные) молекулы газа проникают в область, заполненную молекулами того же газа.
Рассмотрим диффузный
поток меченых молекул (т. е. самодиффузию).
Пусть концентрация этих молекул n
(n
– зависит от x).
Тогда величина G,
как характеристика переносимого
количества, отнесенная к одной молекуле,
приобретает в случае самодиффузии вид
,
где n0
– общая
концентрация молекул газа. Подставляя
величину
в
общее уравнение процесса переноса,
получим
,
умножая это соотношение на массу молекул (m), получим
,
где
– плотность меченых атомов. Сравнение
этого соотношения с феноменологическими
формулами явления переноса показывает,
что коэффициент самодиффузии равен
.
Рассмотрим теперь явление взаимной диффузии в смеси двух газов (массы молекул m1 и m2 концентрации n1 и n2 соответственно). Поскольку давление смеси газов P=n1kT+n2kT=(n1+n2)kT, то для T=Const и постоянного давления смеси газов P=Const получаем, что n1+n2=Const.
Диффузионный поток каждого сорта атомов может быть определен по известной формуле самодиффузии
;
,
где
;
.
В общем случае
(т.
к.
)
и результирующий поток должен привести
к изменению концентраций, а значит, и
давления в различных областях. Но тогда
дополнительно к диффузионному потоку
прибавится гидродинамический поток,
связанный с возникающей разностью
давлений. Пусть скорость гидродинамического
потока v.
Тогда сам гидродинамический поток через
единичную площадку может быть определен
следующим образом
.
В равновесии
(при P=Const),
т. е.
,
т.
к.
(n1+n2=Const),
отсюда
.
Полный (диффузионный и гидродинамический) поток молекул одного сорта может быть определен в виде
.
Таким образом, явление взаимной диффузии описывается выражением подобным выражению самодиффузии
,
где
– коэффициент взаимной диффузии
(измеряется в м2/с).
Легко показать, что D12=D21. коэффициенты диффузии имеют порядок 10-5 м2/с для газов при нормальных условиях.
4.5. Вязкость
Вязкость или внутренне трение в газах, обусловлена переносом импульса молекул перпендикулярно направлению упорядоченного движения слоев газа, если скорости этого движения у разных слоев разные (рис. 2.27). В результате теплового движения молекулы перелетают из одного слоя в другой, перенося свой импульс упорядоченного движения. В результате слой, который двигался быстрее, тормозится, а слой, который двигался медленней, ускоряется. В этом, собственно, и состоит механизм внутреннего трения между слоями, двигающимися с разными скоростями.
В данном случае величина G есть импульс упорядоченного движения молекул p=mv (v – скорость упорядоченного движения). Тогда из общего уравнения переноса получаем
.
Рис.2.27
С
равнивая
это выражение с феноменологической
формулой, получим
![]()
Где
- динамическая вязкость.
Выражение для
впервые было получено в 1860 г. Максвеллом.
Поскольку
P
(т. к.
),
а
,
то видно, что динамическая вязкость
газов не зависит от давления и медленно
растет с температурой (т.к.
)
Единицей динамической
вязкости является паскаль - секунда(Па
с). Динамическая вязкость газов при
температуре
имеет порядок 10 –5
Па с. Наряду с динамической вязкостью
используется также понятие кинематической
вязкости:
(ед. измерения 1 м2/с
).
4.6. Теплопроводность.
В этом случае G есть средняя энергия теплового движения, приходящаяся на одну молекулу. Из закона равномерного распределения энергии по степеням свободы имеем:
т.к.
![]()
тогда из общего уравнения переноса получаем:
-
(уравнение Фурье), где
![]()
Где
-удельная
теплоемкость при постоянном объеме.
Коэффициент
теплопроводности
измеряется в Вт/м К.
При постоянной
концентрации газа (
)
различие в коэффициенте теплопроводности
для разных газов определяется в основном
различием их масс молекул газа (т. е.
).
Отсюда видно, что
более легкие газы обладают значительно
большей теплопроводностью, чем тяжелые.
Так, например, кислород имеет
Вт/м К, а водород
Вт/м К при нормальных условиях. Так же
как и вязкость, теплопроводность не
зависит от давления газа (в широком
диапазоне давлений), так как
,
а
![]()
