13

Лекция 5

2. Физическая кинетика

2.1.Явления переноса

Статистическая физика имеет дело с равновесными состояниями тел и с обратимыми процессами (т. е. процессами, при которых система проходит через последовательность равновесных состояний).

Выведенная из состояния равновесия, любая макросистема стремится вернуться в равновесное состояние.

Ранее рассмотрели понятие равновесное состояние термодинамической системы (такое состояние характеризуется одинаковостью во всех точках занимаемого газом объема таких величин, как температура, давление, относительное количество молекул равного сорта и т.п.). Одним из условий такого состояния является отсутствие в системе потоков вещества и энергии. В кинетической теории газов рассматриваются газы, находящиеся в состоянии равновесия . Однако беспорядочность теплового движения молекул газа, непрерывные столкновения между ними приводят к постоянному перемешиванию частиц и изменению их скоростей и энергий. Если в газе существует пространственная неоднородность плотности, температуры при скорости упорядоченного перемещения отдельных слоев газа, то происходит самопроизвольное выравнивание этих неоднородностей. В газе возникают потоки энергии, вещества, а также импульса упорядоченного движения частиц. Эти потоки, характерные для неравновесных состояний газа являются физической основой особых процессов, объединенных общим названием - явления переноса

Наука, изучающая процессы, возникающие при нарушениях равновесия, носит название физической кинетики.

При нарушениях равновесия в телах возникают потоки тепла, либо массы, электрического заряда и т. п. В связи с этим соответствующие процессы носят название явлений переноса.

Явления переноса представляют собой необратимые процессы.

1) Рассмотрим три явления переноса

- внутреннее трение или вязкость,

- теплопроводность

- диффузию,

2) напишем эмпирические уравнения этих процессов, применимые к любым средам (твердым, жидким и газообразным)

3) дадим молекулярно-кинетический вывод указанных уравнений для газов.

Любое явление переноса связано с неодинаковостью в про­странстве некоторой величины. Например, поток тепла возника­ет в случае неодинаковости температуры в разных точках среды. На эту особенность потоков следует обратить внимание. Та же температура — это характеристика системы в целом, а здесь мы говорим, что она разная. Приходится вводить понятие локально­го равновесия. В состоянии локального равновесия среда в каж­дой малой части своего объема находится в тепловом равнове­сии, однако равновесие между различными частями отсутствует.

В дальнейшем придется использовать понятие потока той или иной физической величины через интересующую нас поверхность S.

Поток — величина скалярная и алгеб­раическая. Его знак зависит от выбора положительного «на­правления»: с одной стороны поверхности S к другой или нао­борот. Положительное направление обычно выбирают произвольно (за исключением замкнутых поверхностей, где по соглашению его выбирают наружу области, ограниченной этой поверхностью).

Мы будем рассматривать потоки в основном через плоские поверхности S, перпендикулярные оси X, выбирая положите­льное «направление» поверхности S совпадающим с ортом оси X. Если физическая величина будет переноситься через S в на­правлении оси X, будем считать соответствующий поток поло­жительным, если же в обратном направлении, то — отрицате­льным.

Под малостью имеют в виду объем, размер которого намного превышает, например, среднее расстояние между соседними молекулами. При этом число частиц в таком объеме должно быть макроскопическим, чтобы можно было применять макро­скопические параметры состояния теплового равновесия.