лекция 8_для студентов
.doc
,
. (3.2.10)
Подставив (3.2.10) в (3.2.9), получим
. (3.2.11)
Складывая (3.2.6) с (3.2.11), получим выражение для изменения суммарной энергии единицы объема со временем в фиксированной точке пространства
. (3.2.12)
Это соотношение можно переписать в виде
. (3.2.13)
Таким образом,
получено математическое выражение
закона сохранения энергии для идеальной
жидкости с учетом работы массовых сил
(
),
внешнего притока тепла (
)
и изменения содержания термодинамически
активной примеси (
).
Для выяснения физического смысла полученного равенства рассмотрим простейший случай горизонтального движения при отсутствии внешнего притока тепла и изменения содержания термодинамически активной примеси. Тогда последними тремя членами правой части можно пренебречь. Проинтегрируем (3.2.13) по произвольному объему и интеграл, стоящий справа, преобразуем в интеграл по поверхностям
. (3.2.14)
Слева стоит изменение в единицу времени энергии жидкости в некотором заданном объеме пространства, справа - количество энергии, вытекающее в единицу времени из рассматриваемого объема. Тогда
(3.2.15)
представляет собой вектор плотности потока энергии. Его абсолютная величина есть количество энергии, протекающей в единицу времени через единицу поверхности, расположенную перпендикулярно направлению скорости. Выражение (3.2.15) показывает, что каждая единица массы жидкости как бы переносит при своем движении энергию
.
Подставив
перепишем полный поток энергии через
замкнутую поверхность в виде
![]()
(3.2.16)
Первый член есть сумма кинетической и внутренней энергии, переносимая за единицу времени через поверхность рассматриваемого объема, второй член представляет собой работу, производимую силами давления над жидкостью, заключенной внутри объема.
Переходим к рассмотрению вязкой жидкости. В вязкой жидкости также выполняется закон сохранения энергии, согласно которому изменение суммарной энергии жидкости (кинетическая + тепловая) в некотором объеме за единицу времени равно полному потоку энергии через границы этого объема. Однако в случае вязкой жидкости помимо потока
связанного с
переносом массы жидкости при ее движении,
имеется еще
поток, связанный
с процессами внутреннего трения, который
выражается вектором
с компонентами
, где
- тензор вязких напряжений.
Наряду с этим
дополнительным потоком энергии будет
происходить также перенос тепла,
обусловленный процессом теплопроводности,
а если температура жидкости не постоянна
внутри объема. За счет теплопроводности
осуществляется молекулярный перенос
энергии из мест с более высокой в места
с более низкой температурой. Подчеркнем,
что молекулярный перенос энергии не
связан с макроскопическим движением и
происходит также в неподвижной жидкости.
Если через
обозначить плотность потока тепла,
переносимого посредством теплопроводности
и учесть, что в явлениях теплопроводности,
как правило, наблюдаются не слишком
большие пространственные градиенты
температуры в жидкости, то температурную
неоднородность с достаточной степенью
точности можно охарактеризовать первыми
производными. Тогда получим
, (3.2.17)
где
- коэффициент теплопроводности, который,
вообще говоря, является функцией
температуры и давления. Векторы
и
имеют противоположные направления.
Тогда плотность потока энергии при
наличии вязкости и теплопроводности
равна
. (3.2.18)
Закон сохранения энергии в этом случае выражается уравнением
. (3.2.19)
Левая часть (3.2.19) с учетом уравнений неразрывности (2.1.9) и Навье - Стокса (2.5.27) преобразуется к виду
![]()
.
(3.2.20)
Далее, воспользовавшись термодинамическими соотношениями (как в случае идеальной жидкости), получим
![]()
. (3.2. 21)
Сравнив (3.2.21) с (3.2.19) получим общее уравнение переноса тепла для вязкой жидкости
. (3.2.22)
Из (3.2.22) следует , что изменение энтропии в движущемся объеме обусловлено диссипацией, теплопроводностью и внешними притоками тепла. Покажем , что в результате необратимых процессов теплопроводности и внутреннего трения энтропия жидкости только вырастает. Действительно, с помощью уравнения неразрывности (2.3.6), общего уравнения переноса тепла (3.2.22) и выражения для вязких напряжений (2.5.17) получим

. (3.2.23)
Проинтегрировав
полученное выражение по неограниченному
объему жидкости и устремив граничную
поверхность на бесконечность, где
жидкость покоится и
,
получим
. (3.2.24)
Первый член описывает увеличение энтропии за счет теплопроводности, второй и третий - за счет внутреннего трения, что доказывает факт возрастания энтропии.
Уравнение (3.2.22) с учетом выражения для вязких напряжений (2.5.17) переписывается в виде
. (3.2.25)
Если воспользоваться введенным понятием о термодинамических процессах и определить их как изменения со временем каких - либо термодинамических характеристик жидких частиц, вызываемые процессами теплопроводности и внутреннего трения, лучистым теплообменом, фазовыми превращениями веществ, то уравнение для скоростей изменения энтропии и концентрации термодинамически активной примеси можно записать
,
. (3.2.26)
Здесь
- скорость притока тепла, деленная на
температуру, а
- скорость притока примеси к единице
массы жидкости.
Процессы, при
которых
(энтропия оказывается лагранжевым
инвариантом) называется изэнтропическими.
Если к тому же и
(концентрация примеси также лагранжев
инвариант), то процессы называются
адиабатическими.
Из (3.1.12) видно, что при адиабатических процессах
. (3.2.27)
Запишем уравнение
переноса тепла (3.2.25), выразив энтропию
через независимые термодинамические
переменные. Так как
то
.
(3.2.28)
Так как
,
,
,
то из (3.2.28) следует, что
,
(3.2.29)
где
- полный приток тепла к единице массы
жидкости за счет внутренних и внешних
источников.
Это уравнение есть уравнение переноса тепла, которое в геофизической гидродинамике называется уравнением притока тепла.
Для совершенного
газа
уравнение (3.2.29) переписывается в виде
. (3.2.30)
Таким образом, получены уравнения переноса тепла для идеальной и вязкой жидкости.
