- •Все вещества состоят из атомов или молекул
- •Атомы и молекулы веществ находятся в состоянии беспорядочного движения
- •Между атомами и молекулами вещества действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания.
- •2. Давление
- •3. Уравнение состояния идеального газа
- •4. Законы идеальных газов
- •Изотермический процесс
- •Изобарический процесс
- •Изохорический процесс
- •Закон Авогадро
- •Закон Дальтона
- •5. Барометрическая формула
- •З акон Больцмана
- •6. Распределение молекул по скоростям
- •7. Функция распределения
- •9. Формула Максвелла
- •10. Средняя арифметическая, средняя квадратичная и наивероятнейшая скорости молекул
- •11. Кинетическая теория теплоты Внутренняя энергия идеального газа
- •12. Первое начало термодинамики
- •§5. Макроскопическая работа
- •13. Различные приложения I начала термодинамики. Теплоёмкость
- •15, 16 Классическая теория теплоёмкости и её недостатки
- •19. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона
- •20. Работа при адиабатическом изменении объёма газа
- •21. Политропический процесс
- •22. Столкновение молекул и явления переноса
- •§2. Среднее число столкновений в единицу времени и средняя длина свободного пробега молекул
- •§3. Рассеяние молекулярного пучка в газе
- •23. Явление переноса в газах. Уравнение переноса
- •24. Диффузия
- •25. Теплопроводность газов
- •26. Вязкость газов (внутреннее трение)
- •28. Неидеальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Отклонение свойств газов от идеальности
- •29. Фаза и фазовые равновесия
- •30. Уравнение Ван-Дер-Ваальса
- •31. Изотермы Ван-дер-Ваальса
- •32. Критическая температура и критическое состояние
- •33. Приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний
- •34. Равновесные состояния
- •Обратимые и необратимые процессы
- •35. Необратимость и вероятность
- •37. Внутренняя энергия
- •38. Цикл Карно
- •39. Коэффициент полезного действия в цикле Карно
- •. Холодильная машина
- •40. Свободная энергия
- •41. Энтропия
- •42. Некоторые термодинамические соотношения
- •44 Закон возрастания энтропии. Второе начало термодинамики
- •Увеличение энтропии при теплопередаче
- •45. Энтропия и вероятность
- •46 Энтропия и беспорядок
- •47. Третье начало термодинамики
- •§9. Сжижение газов
- •48. Эффект Джоуля-Томсона
- •50. Строение жидкостей
- •51. Поверхностное натяжение
- •52. Условия равновесия на границе двух сред. Краевой угол
- •53. Силы, возникающие на кривой поверхности жидкости
- •54. Капиллярные явления
- •55. Упругость насыщенного пара над кривой поверхностью жидкости
- •56. Условия равновесия фаз химически однородного вещества
- •§3. Уравнение Клапейрона
§3. Рассеяние молекулярного пучка в газе
Со столкновением молекул в газе связано ослабление молекулярного пучка при прохождении через газ.
Пусть некоторое число молекул, обладающих определенной скоростью, величина и направление которой одинакова для всех молекул, проходит через газ. Из-за столкновений с молекулами, часть молекул пучка изменит направление своего движения, и будет выбывать из пучка. По мере продвижения через газ число таких молекул, покинувших пучок, будет возрастать, а число частиц в пучке будет постепенно уменьшаться.
Пусть пучок движется в газе вдоль оси Х и в начале его пути при Х=0 число частиц в пучке равно . После прохождения отрезка пути , число частиц в пучке уменьшится на некоторую величину и станет равным . Отношение числа, выбывших из пучка частиц к числу, оставшихся равно отношению пройденного пучком пути к длине свободного пробега , так как чем больше это отношение, т.е. чем больше длин свободного пробега умещаются в длине , тем больше шансов у каждой молекулы быть отклоненной при столкновении. Поэтому . Знак минус указывает, что частиц в пучке уменьшается. Интегрируя обе части этого выражения, получим:
,
где - постоянная интегрирования. Ее можно определить из условия, что при х=0 . Поэтому .
Отсюда , или , тогда .
Эта формула показывает, что с ростом толщины слоя число частиц в молекулярном пучке уменьшается по экспоненциальному закону.
23. Явление переноса в газах. Уравнение переноса
Хаотичное движение газовых молекул ведет к непрерывному перемешиванию газа. С этим связано ряд важных явлений, происходящих в газах. Например, если в разных частях сосуда с газом плотность газа различная, то с течением времени она выравнивается. Точно также два различных газа, находящихся в соприкосновении перемешиваются между собой. Эти явление называются диффузией.
В объеме газа, части которого имели первоначально различные температуры, происходит постепенное выравнивание температуры, за счет переноса молекулами своей энергии и обмена энергиями с другими молекулами при перемешивании. Это явление называется теплопроводностью. Рассмотрим еще одно явление. Пусть газ течет вдоль горизонтальной поверхности АВ. Ближайший к поверхности слой имеет меньшую скорость благодаря трению о поверхность. Скорости разных слоев газа показаны на рисунке 6. Между слоями газа возникает сила трения, обусловленная переносом молекулами из слоя в слой количества движения . Это явление называется внутренним трением или вязкостью. Благодаря внутреннему трению газ движется вблизи поверхности параллельными слоями, скорости которых убывают в направлении перпендикулярном к поверхности АВ. Все перечисленные явления обусловлены одной причиной - переносом молекулами газа своих физических характеристик: массы (диффузия), энергии (теплопроводность), количество движения (явление внутреннего трения). Поэтому механизм всех этих явлений является одинаковым, и все они объединены под общим названием - явление переноса.
Исходя из молекулярно-кинетической теории, выведем общее для всех явлений переноса уравнение переноса. В пространство, где находится газ с концентрацией , введем декартовую систему координат (рис.7).
Перпендикулярно оси Х поместим поверхность площадью . Определим количество молекул, проходящих через эту поверхность за время .
Рис.7
.
Эти молекулы переносят через площадку значения своих характеристик (масса, энергия, количество движения). Тогда количество физических характеристик, перенесенных молекулами в одном направлении через за время определится выражением:
.
Такое же количество физической характеристики будет перенесено и в обратном направлении, т.е. поток физической характеристики через будет равным нулю.
П редположим, что рассматриваемый газ неоднороден по своим свойствам, т.е. различно в разных местах объема, а сами молекулы имеют неодинаковые значения . Тогда будет также различным в разных местах объема газа. Пусть убывает в положительном направлении оси Х.
Выберем две площади, находящиеся на одинаковых расстояниях от площади , равных длине свободного пробега (Рис.8). Тогда будет связано переносом физической характеристики по направлению оси Х.
Такой же поток физической характеристики в направлении оси Х будет и через площадь , так как эти площади находятся на расстоянии длины свободного пробега, и в этом промежутке обмен значениями и изменение не происходит, поскольку молекулы не испытывают столкновения. Также рассуждая, можно предположить, что через площадь в обратном направлении оси Х, будет поток физической характеристики , причем > . Тогда результирующий поток физической характеристики через будет равным:
.
Разделив и умножив правую часть полученного выражения на , перепишем в виде:
.
Поскольку представляет изменение на единицу длины, мы можем переписать выражение для в виде:
. (4.3)
Полученное выражение представляет уравнение переноса. Знак (-) обусловлен тем, что перенос физической величины происходит в направлении противоположном , определяет направление максимального роста .