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. Величина λ называется 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
газа λ
═ cV‹ℓ›ρ‹υ›/3,
где cV
– 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.