Явища переносу - студопедія

Явища переносу об'єднують групу процесів, пов'язаних з неоднорідностями щільності, температури або швидкості упорядкованого переміщення окремих шарів речовини.

Вирівнювання неоднорідностей призводить до виникнення явищ переносу. До цих явищ належать дифузія, в'язкість і теплопровідність.

Явище перенесення полягає в тому, що виникає упорядкований перенесення маси (дифузія), імпульсу (в'язкість) і внутрішньої енергії (теплопровідність). При цьому порушується повна хаотичність руху молекул і максвелловское розподіл молекул за швидкостями.

Мікроскопічні процеси в статистично нерівноважних системах досліджуються методами фізичної кінетики. Вона вивчає процеси встановлення рівноваги в системах, спочатку перебували в нерівноважному стані. Фізична кінетика виходить з уявлень про молекулярній будові розглянутих середовищ і силах взаємодії між складовими їх молекулами. Це дає можливість рассНовомосковскть кінетичні коефіцієнти процесів.

Час релаксації. Розглянемо випадок, коли замкнута макроскопічна система в початковий момент знаходиться не в рівноважному стані. а в одному з малоймовірних станів. Це може статися в результаті якого-небудь зовнішнього впливу, яке потім усувається і система стає замкненою. Прикладом може служити газ, нерівномірно розподілений всередині судини. Після закінчення деякого часу, яке називається часом релаксації t, система, яка спочатку перебувала в нерівноважному, малоймовірному стані, переходить в найбільш ймовірне, рівноважний стан. Протікають при цьому в системі процеси залежать від природи системи і характеру відхилення її від рівноважного стану.

Час, протягом якого система досягає рівноважного стану, називається часом релаксації.

Цей час може становити як частки секунди, так і століття, в залежності від виду взаємодії між частинками системи і від частоти переходів між різними доступними станами системи.

Ефективний переріз розсіювання. Оскільки молекули газу рухаються безладно, внаслідок цього вони повинні випадковим чином стикатися один з одним, відхиляючись від напрямку свого руху. Дві молекули можуть зіткнутися (пружно або НЕ пружно), якщо відстань між їх центрами буде менше їх діаметра d (ріс.1.9.1).

Кожне зіткнення відбувається після проходження молекулою середньої довжини вільного пробігу l. У відповідність з цим вводять поняття ефективного перетину розсіювання s = pd 2 (площа кола діаметром d). Це основна характеристика ймовірності виникнення певного кінцевого стану двох частинок, що стикаються.

Довжина вільного пробігу і ефективний перетин пов'язані між собою співвідношенням

де n - концентрація молекул в одиниці об'єму.

Ефективний переріз залежить від швидкості молекул, а значить від температури. Слід зауважити, що, взагалі кажучи, ефективний перетин має чисто геометричний сенс, а є ймовірнісної характеристикою процесу. Велика величина ефективного розтину не обумовлена ​​великими розмірами молекули, однак, визначає велику ймовірність зіткнення.

Дифузія являє собою перенесення молекул речовини в напрямку зменшення концентрації частинок. Якщо концентрації речовини змінюється по координаті x, залишаючись постійною по двом іншим, тоді нестаціонарний процес вирівнювання концентрацій, описується законом Фіка:

де jn - щільність потоку частинок. проходять через 1м 2 в 1с перпендикулярно осі х; - градієнт концентрації в напрямку осі x; D - коефіцієнт дифузії [м 2 / с]. Він дорівнює диффузионному потоку при градієнті концентрації дорівнює одиниці. З кінетичної теорії ідеальних газів слід, що

де - середня довжина вільного пробігу; - середня швидкість молекули.

Дифузія має місце, як в газах, так і в рідинах і твердих тілах. Однак коефіцієнт дифузії в цій послідовності різко зменшується.

Теплопровідність проявляється при наявності різниці температур і являє собою спрямований перенесення тепла від більш нагрітих частин газу до менш нагрітих (за допомогою зіткнення молекул), що приводить до вирівнювання температур.

Будемо сНовомосковскть, що зміна (градієнт) температури має місце по одній координаті х. Тоді переміщення тепла між стінками здійснюється послідовним перенесенням тепла від одного шару газу до іншого.

Потік теплової енергії через одиницю площі, або щільність теплового потоку пропорційний градієнту температури зі зворотним знаком (закон Фур'є)

де jE - щільність теплового потоку [Дж / (м 2 с)];

dT / dx - градієнт температури [K / м];

l - коефіцієнт теплопровідності [Вт / (мК)].

Коефіцієнт теплопровідності чисельно дорівнює потоку тепла при градієнті температури дорівнює одиниці [1K / м]. У техніці його іноді висловлюють в [кДж / (м # 128; годину # 128; град)].

Молекулярно-кінетичний розрахунок коефіцієнта теплопровідності призводить до результату

де m - маса молекули;

СV - питома теплоємність при постійному обсязі;

r - щільність газу.

Зв'язок l з концентрацією і довжиною вільного пробігу показує, що коефіцієнт теплопровідності газів не залежить від тиску. Молекули легких газів мають велику середню швидкість і, відповідно, більший коефіцієнт теплопровідності. Це підтверджують експерименти і застосовується на практиці.

Поряд з коефіцієнтом теплопровідності на практиці використовується також коефіцієнт температуропровідності

Розмірність коефіцієнта температуропровідності [м 2 / с] і його величина збігаються з коефіцієнтом дифузії D. Він являє собою коефіцієнт "дифузії температури". Якщо коефіцієнт теплопровідності характеризує здатність середовища проводити тепло. то коефіцієнт температуропровідності служить мірою теплоїнерційною свойст речовини. Іншими словами, швидкість зміни температури в часі dT / dt в будь-якій точці простору пропорційна а. вирівнювання температури швидше відбувається там. де більше а. Величина коефіцієнта температуропровідності залежить від природи вещещства. Наприклад, гази і рідини мають більшу теплоїнерційною і, отже, малий коефіцієнт температуропровідності. Метали, маючи малу теплову інерцію, володіють великим коефіцієнтом температуропровідності.

В нестаціонарних явищах тепло і масопереносу (дифузія і теплопровідність між двома судинами або між об'єктом і середовищем) важливою характеристикою служить час встановлення рівноваги. Внаслідок цього вводиться в якості параметра процесу час релаксації (постійна часу) t. Це час. протягом якого різницю концентрацій або температур зменшиться в е раз. Величина t пов'язана з кінетичними параметрами речовини (l, D, пор. R) і геометричними характеристиками об'єктів.

В'язкістю називають силу тертя між шарами газу або рідини, що рухаються один щодо одного паралельно з різними швидкостями, що призводить до переносу імпульсу в перпендикулярному до швидкості напрямку

де jp - напруга тертя або щільність потоку імпульсу;

h - динамічна в'язкість або коефіцієнт внутрішнього тертя [кг / (мс);

dv / dx - градієнт швидкості.

З фізичної точки зору динамічна в'язкість чисельно дорівнює імпульсу, переносимого в одиницю часу через площину 1м 2 при градієнті швидкості в напрямку перпендикулярному площині дорівнює одиниці (1м / с на 1 м довжини).

При молекулярно-кінетичному розгляді динамічна в'язкість набирає вигляду

З цього виразу випливає, що динамічна в'язкість газів не залежить від тиску і зростає з підвищенням температури. В'язкість рідин з підвищенням температури зменшується. Експерименти підтверджують такі висновки.

Крім динамічної в'язкості використовується також кінематична в'язкість n:

Вона має таку ж розмірність, як і коефіцієнт дифузії і чисельно йому дорівнює. У відповідність з цим кінематичну в'язкість можна назвати коефіцієнтом дифузії швидкості.

Схожі статті

  • явища переносу

    Явища переносу об'єднують групу процесів, пов'язаних з неоднорідностями щільності, температури або швидкості упорядкованого переміщення окремих шарів речовини. вирівнювання неоднорідностей

  • Явища переносу 1

    Явища переносу Домобудівництво Визначення коефіцієнта в'язкості рідини методом Стокса. На сайті allRefs.net є практично будь-який реферат, курсова робота, конспект, лекція, диплом, домашня роботи тощо. Навчальний матеріал.

  • Цитоплазматична мембрана (ЦПМ) - студопедія

    Цитоплазматична мембрана (ЦПМ) Сучасне визначення клітини наступне: клітина - це відкрита, обмежена активною мембраною, структурована система біополімерів (білків і нуклеїнових