Явища перенесення

Займемося тепер процесами, що виникають у системі при порушенні рівноваги. Наука, що вивчає такі процеси, називається фізичною кінетикою, вона базується на уявленні про молекулярну будову речовини і взаємодію молекул.

Всяке порушення рівноваги супроводжується виникненням потоку чи молекул, чи заряду, чи чогось іншого. Тому процеси, якими займається фізична кінетика, називаються процесами перенесення. Ясно, що процеси перенесення є необоротними. Нижче познайомимося з трьома явищами перенесення: дифузії, внутрішнього тертя і теплопровідності.

Явище дифузії полягає у взаємному проникненні і перемішуванні частинок речовини внаслідок неоднаковості густини чи різниці між концентраціями компонент суміші в різних місцях об’єму. Потік маси виникає в напрямку зменшення густини (чи концентрації). Явище описується емпіричним законом Фіка

.

Тут: m – маса речовини, що переноситься через перпендикулярну до напрямку перенесення поверхню площею ; – час перенесення, – ґрадієнт* густини в напрямку осі z (в напрямку перенесення речовини , з чим пов’язаний знак “мінус” у правій частині закону; – густина речовини); D – коефіцієнт дифузії, . Фізичний зміст параметра D: коефіцієнт дифузії чисельно рівний масі речовини, що переноситься через одиницю площі за одиницю часу при одиничному ґрадієнті густини.

Закон Фіка можна записати ще через число молекул (N), що переносяться внаслідок існування ґрадієнту концентрації в напрямку осі z:

. (2.61)

Остання форма запису одержується з попередньої, якщо скористатися зв’язком густини з концентрацією та очевидною рівністю , де – маса однієї молекули.

Явище внутрішнього тертя (в’язкості) пов’язане з виникненням сил тертя між шарами рідини чи газу, що переміщуються один відносно другого. Механізм явища – накладання хаотичного теплового руху молекул на направлений рух шарів. Для сили внутрішнього тертя справджується емпірично встановлений закон Ньютона

.

Тут: F – сила внутрішнього тертя (її проекція на напрям швидкості течії), що виникає між двома паралельними рухомими шарами речовини площею , – ґрадієнт швидкості, що характеризує швидкість зміни швидкості шарів речовини в напрямку осі z, перпендикулярної до напрямку руху шарів (див. рис.2.16); – в’язкість (або динамічна в’язкість), . Знак “мінус” показує, що сила внутрішнього тертя сповільнює рух шару, при переході до якого зростає і навпаки – прискорює рух шару, котрий рухається повільніше.

На рис.2.16 вектори та – швидкості двох паралельних шарів; – сила внутрішнього тертя, що діє з боку шару “2” на шар “1”, – сила, що діє з боку шару “1” на шар “2”. Ясно, що .

Фізичний зміст коефіцієнта : в’язкість речовини чисельно рівна силі внутрішнього тертя, що виникає між двома паралельними одиничної площі шарами рухомої рідини чи газу при одиничному ґрадієнті швидкості шарів у перпендикулярному до руху напрямку.

Зазначимо, що поряд з динамічною в’язкістю зустрічається кінематична в’язкість і пов’язана зі в’язкістю текучість .

Якщо вздовж осі z існує ґрадієнт температури , то в напрямку зменшення температури виникає потік тепла через деяку поверхню площею , перпендикулярну до осі. Це – явище теплопровідності. Його описує закон Фур’є (теж емпіричний):

,

де Q – кількість теплоти, – час протікання процесу, – теплопровідність речовини . Механізм явища – передача енергії теплового руху молекул при їх зіткненнях. Фізичний зміст коефіцієнта : теплопровідність чисельно рівна кількості теплоти, що проходить через одиничну площадку за одиницю часу при одиничному ґрадієнті температури. Зауваження: не треба плутати теплопровідність з температуропровідністю – мірою теплоінерційних властивостей речовини. Температуропровідність – це швидкість зміни температури речовини.