Явление переноса в газах реферат
Обновлено: 04.07.2024
Молекулярная физика - это раздел физики, который рассматривает свойства макроскопических тел и их агрегатные состояния с точки зрения их молекулярного строения, взаимодействия и движения молекул. Она изучает явления, происходящие внутри макроскопических тел.
Основы молекулярной физики были заложены трудами Ломоносова, Джоуля, Больцмана, Клаузиуса, Максвелла и других ученых. Благодаря их трудам молекулярная физика прочно утвердилась в науке. Непосредственным опытным подтверждением молекулярно-кинетической теории являются процесс диффузии, броуновского движения, распространения запаха и многие другие явления.
Движение каждой молекулы в веществе может быть описано законами классической механики. Однако число молекул в веществе чрезвычайно велико, направления и величины скоростей молекул совершенно случайны и непрерывно изменяются так, что становится невозможным охватить уравнениями движения всю совокупность молекул и сделать какие-либо выводы об их поведении.
Тем не менее, состояние вещества и его изменение определяется заданием небольшого числа определенных параметров, как температура, давление, объем, плотность и т.д., значения которых невозможно указать на основе решений уравнений классической механики. Дело в том, что свойства огромного числа молекул подчиняется особым, статистическим закономерностям. Статистическая физика изучает статистические закономерности, описывающие поведение большой совокупности объектов. Она основывается на теории вероятностей и позволяет вычислять средние значения величин, характеризующих движение всей совокупности молекул (средние скорости молекул, средние кинетические энергии, средние значения импульса и т. д.) и на этой основе истолковывает свойства вещества, непосредственно наблюдаемые на опыте (давление, температура и т.д.). В этом состоит суть молекулярно-кинетического изучения вещества.
Наряду со статистическим, существует термодинамический метод изучения вещества. В отличие от статистического метода термодинамический метод не интересуется строением вещества. Термодинамика изучают условия превращения энергии и характеризует их с количественной стороны.
В основе термодинамики лежит небольшое число закономерностей, установленных на основе большого числа опытных фактов и получивших название начала термодинамики.
У статистической физики и термодинамики общий предмет изучения – свойства вещества и происходящие в нем процессы. Подходя к изучению этих свойств с разных точек зрения, эти методы взаимно дополняют друг друга.
Совокупность тел, могущих обмениваться энергией между собой и с внешними телами, не входящими в эту систему, называется термодинамической системой. Одним из основных понятий термодинамики является понятие состояния системы. Состояние системы определяется совокупностью значений всех величин, характеризующих физические свойства системы и называемых термодинамическими параметрами (температура, давление плотность, теплоемкость, электропроводность и т. д.). Состояние системы называется стационарным, если значения всех термодинамических параметров не изменяются во времени. Стационарное состояние называется равновесным, если его неизменность не обусловлена протеканием каких-либо процессов во внешних по отношению к данной системе телах.
Исследования показывают, что параметры состояния тел взаимно связаны и могут быть выражены друг через друга. Поэтому термодинамическое состояние задается только ограниченным числом параметров состояния. Такие параметры называются основными параметрами состояния. Важнейшими параметрами состояния химически однородных систем являются плотность, объем, давление, температура. И между этими параметрами существует связь, выражаемая в виде математического уравнения . Уравнение, связывающее основные параметры состояния, называется уравнением состояния системы.
ГОСТ
Рассмотрим ряд процессов, которые возникают в газе, если равновесие было нарушено. При этом сделаем следующие предположения: нарушения равновесия невелики, и если существует внешнее воздействие на систему, то неравновесное состояние может длиться бесконечно долго, оно не изменяется, процессы в таком газе будут стационарными.
Явления переноса обусловлены стремлением системы достигнуть равновесного состояния. Время, которое будет потрачено на достижение равновесного состояния, называется временем релаксации.
Нарушение равновесия в газе ведет к переносу из одних частей системы в другие вещества, энергии, заряда, импульса либо какой о другой величины. Интенсивность процесса переноса таковой является поток этой величины. Потоком физической величины называется количество этой величины, проходящей в единицу времени через некоторую воображаемую поверхность. Причем поверхность может иметь любую форму, быть замкнутой или незамкнутой. Поток величины -- скаляр, причем он считается положительным в зависимости от произвольного выбора.
Пусть G характеризует некоторое молекулярное свойство, отнесенное к одной молекуле. Это может быть энергия, импульс, концентрация и т.д. Если в равновесном состоянии G постоянно по объему, то при наличии градиента G имеется движение G в направлении его уменьшения. Пусть ось Ox направлена вдоль градиента G. Тогда полный поток $I_G$ в положительном направлении оси Ox в точке x имеет вид:
где $\left\langle \lambda \right\rangle$ - длина свободного пробега молекулы, $n_0$ концентрация частиц в веществе, $\left\langle v\right\rangle \ $- средняя скорость движения молекул.
Уравнение (1) является основным уравнением процессов переноса количества G.
Три вида процесса переноса
В молекулярной физике рассматривают три вида процесса переноса: диффузию, теплопроводность, вязкость.
В состоянии равновесия плотность каждой компоненты газа во всех точках системы одинакова. Перенос вещества (массы), который направлен на выравнивание концентрации газа, называют диффузией. Вообще говоря, диффузия может наблюдаться во всех состояниях вещества (и газах, и жидкостях, и твердых телах).
Готовые работы на аналогичную тему
Пусть молекулы в некотором объеме газа распределены неравномерно. Неравновесную концентрацию обозначим $n_1(x)$. В уравнении (1) G -- характеристика переносимого вещества, следовательно, в нашем случае:
где $n_0$ -- равновесная концентрация. Тогда уравнение (1) примет вид:
где $D=\frac\left\langle v\right\rangle \left\langle \lambda \right\rangle $ -- коэффициент диффузии. Уравнение (3) называется уравнением Фика. При постоянной температуре коэффициент диффузии обратно пропорционален давлению:
По сути, закон Фика описывает процесс самодиффузии. Мы имеем дело с молекулами одного газа. Если имеется два и более сортов молекул, процесс диффузии значительно усложняется.
Уравнение Фурье
В состоянии термодинамического равновесия температура T во всех точках системы одинакова. Если температура в какой-то точке газа отличается температуры в другой точке системы, в системе возникает движение теплоты в таких направлениях, чтобы сделать температуру всех частей системы одинаковой. Связанный с этим движением перенос тепла называют теплопроводностью. В случае с теплопроводностью мы имеем дела с переносом энергии и G уравнения (1), в этом случае средняя энергия кинетической энергии молекулы:
где $i$- число степеней свободы молекулы, k-постоянная Больцмана, T -- термодинамическая температура, $R$ универсальная газовая постоянная, $c_<\mu V>$ молярная теплоемкость газа в изохорном процессе. При этом поток теплоты $I_q,\ $ если следовать уравнению (1) примет вид:
где $\chi =\fracn_0\left\langle v\right\rangle \left\langle \lambda \right\rangle \frac
$\rho $ -- плотность газа,
$c_V$ -- удельная теплоемкость газа при изохорном процессе,
$\chi $- коэффициент теплопроводности.
Уравнение (7) называется уравнением Фурье для теплопроводности (или законом Фурье). Теплопроводность не зависит от давления.
В равновесном состоянии разные части фазы газа покоятся друг относительно друга. При относительном движении фаз вещества друг относительно друга возникают силы трения или вязкость. Эти силы стремятся уменьшить скорость движения фаз. Явление вязкости объясняется тем, что в результате теплового движения молекулы газа перелетают из одного движущегося слоя в другой. Переносят свой импульс. В результате обмена импульсами молекулы, имеющие большую скорость тормозятся, а медленно движущееся молекулы, разгоняются. Соответственно выравнивается скорость движения слоев. Так, мы имеем дело с переносом импульса. В качестве G выступит выражение:
где $v$- скорость движения слоя газа. В этом случае уравнение (1) принимает вид:
где $\eta =\fracn_0\left\langle v\right\rangle \left\langle \lambda \right\rangle m=\frac\rho \left\langle v\right\rangle \left\langle \lambda \right\rangle $, $\rho $ -- плотность газа, $\tau $ -- сила трения, действующая на единицу трущихся поверхностей слоев газа, $\eta $ -- динамическая вязкость. Выражение для динамической вязкости было получено Дж. Максвеллом. Динамическая вязкость не зависит от давления и $\eta \sim \sqrt,\ $ если не учитывать уменьшение поперечного сечения молекул с ростом температуры. Наряду с динамической вязкостью используют понятие кинематической вязкости $\nu $:
Задание: Идеальный газ находится в пространстве между двумя длинными коаксиальными цилиндрами$.\ $Средний радиус цилиндров R, $R_2-R_1=\triangle R$, причем $\Delta $R $
Из основного уравнения, для потока вязкости:
Запишем модуль силы трения между слоями газа:
Так как скорость вращения по условиям задачи небольшая, и зная площадь поверхность цилиндрического слоя (помним, что цилиндры длинные, площадями оснований пренебрегаем), запишем, что:
Найдем момент сил трения из (1.2) и (1.5):
Тогда момент сил трения, действующих на единицу длины внутреннего цилиндра равен:
Ответ: Момент сил трения, действующих на единицу длины внутреннего цилиндра равен $\approx 2\pi \eta \frac$.
Задание: Пусть температура газа постоянна. Газ диффундирует. Как изменяется коэффициент диффузии с ростом давления?
Запишем выражение, определяющее коэффициент диффузии:
\[D=\frac\left\langle v\right\rangle \left\langle \lambda \right\rangle \left(2.1\right)\]
Средняя скорость молекул идеального газа определяется формулой:
Из нее видно, что при постоянной температуре скорость постоянна.
\[\left\langle \lambda \right\rangle =\fracn\pi d^2>=\fracp\pi d^2>\sim \frac
\to D\sim \frac
\ \left(2.3\right).\]
Ответ: С ростом давления коэффициент диффузии уменьшается, при постоянной температуре обратно пропорционально давлению.
Явления переноса
Описание: Средняя длина свободного пробега молекул эффективный диаметр молекул эффективное сечение молекулы 3. Уравнение диффузии из молекулярнокинетических представлений. В тепловом равновесии величина средней кинетической энергии броуновской частицы ℰ пред совпадает со средней кинетической энергией одномерного движения молекул идеального газа: ℰ пред = и зависит только от температуры определяемой из опыта.Средняя длина свободного пробега молекулы.
Дата добавления: 2015-01-29
Размер файла: 610.36 KB
Работу скачали: 2 чел.
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
1.Физическая кинетика, неравновесное состояние вещества, необратимые процессы, время релаксации, явления переноса
2. Средняя длина свободного пробега молекул, эффективный диаметр молекул, эффективное сечение молекулы
3. Диффузия в газах. Закон Фика. Уравнение диффузии из молекулярно-кинетических представлений. Диффузия в жидких и твёрдых средах.
4. Теплопроводность в газах. Закон Фурье. Коэффицент теплопроводности. Теплопроводность жидких и твёрдых сред.
5. Вязкость или внутреннее трение. Коэфицент вязкости жидких и твёрдых сред.
1.Физическая кинетика, неравновесное состояние вещества, необратимые процессы, время релаксации, явления переноса
Раздел физики, изучающий необратимые процессы, называется физической кинетикой, и сами процессы, часто, кинетическими.
При нарушении равновесия система стремится вернуться в равновесное состояние. И этот процесс необратим.
τ - время релаксации кинетической энергии частицы к тепловому равновесию.
Это эволюция со временем средней кинетической энергии броуновской частицы ( ℰ ).
В тепловом равновесии величина средней кинетической энергии броуновской частицы ℰ пред совпадает со средней кинетической энергией одномерного движения молекул идеального газа:
ℰ пред >=, и зависит только от температуры, определяемой из опыта.
Процессы установления теплового равновесия в результате силового, энергетического и корпускулярного взаимодействия называются явлениями переноса.
2.Средняя длина свободного пробега молекулы .
График взаимной потенциальной энергии двух молекул.
Пусть центр одной из них в начале О . Центр второй перемещается вдоль r . Вторая летит из бесконечности, имеет начальный запас кинетической энергии E k = E 1 . Вторая под действием сил притяжения увеличивает скорость. При прохождении точки r 0 силы притяжения сменяются силами отталкивания. Молекула теряет скорость. В момент набольшего сближения молекула останавливается. Минимальное расстояние, на которое сближаются при столкновении центры двух молекул, называется эффективным диаметром молекулы d .
Величина, равная σ=π d 2 эффективное сечение молекулы. Эффективный диаметр молекулы зависит от энергии, а следовательно и от температуры.
За секунду молекула проходит путь S = ν >. Если за секунду она претерпевает в среднем υ столкновений, то средняя длина свободного пробега будет λ= .
Чтобы подсчитать среднее число столкновений, предполагаем, что все молекулы кроме данной неподвижны на своих местах.
Молекула летит до столкновения прямолинейно. Соударение произойдет в том случае, если центр неподвижной молекулы окажется от прямой центра движущейся молекулы на расстояние меньшем эффективного диаметра ≤ d .
V = πd 2 ν >; υ `= πd 2 ν > n ;
При Т= const ; n пропорциональна P . Следовательно λ=;
d ↓ при Т↑ следовательно d ↓ T ↑ λ↑
Размеры молекул r ≈10 -8 c м.
При нормальных условиях число молекул в единице объёма n 0 ≈3*10 19 ,а скорость молекул ν >≈ 5*10 4 , число столкновений υ ≈3*10 9
При нормальных условиях молекулы испытывают несколько миллиардов столкновений в секунду.
Диффузией называется обусловленное тепловым движением молекул, самопроизвольное выравнивание концентраций в смеси различных веществ.
Этот процесс наблюдается в жидких, твердых и газообразных средах. Рассмотрим это явление в газообразных средах. Экспериментально установили, что поток массы i -ой компоненты вдоль оси Х через поверхность S , перпендикулярно направлению распространения.
Закон Фика ( Германия, 1885 ):
M i поток массы ( кг/с );
D коэффициент диффузии (зависит от сорта газа и условий, при котором он находиться)( м 2 /с );
градиент плотности i -х молекул
Диффузия в газах.
Коэффициент диффузии для газов:
Длина свободного пробега:
Коэффициент диффузии для газов:
Диффузия в жидкостях:
Диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях, например D сахара в воде:
Коэффициент диффузии для жидкости:
Диффузия в твердых телах.
Диффузия в твердых телах обмен местами атомов в узлах кристаллической решетки, циклическое перемещение атомов.
D 0 фактор диффузии.
Q энергия активации.
Диффузия в твердых телах происходит медленно. Например, наплавив золото на конец свинцового стержня при за сутки золото проникнет в свинец на 1 см. D з =10 -9 (м 2 / с ) При комнатной температуре коэффициент будет 10 -14 (м 2 /с ).
В состоянии равновесия температура во всех точках системы одинакова. При отклонении температуры от равновесного значения в некоторой области, в системе возникает движение теплоты в таких направлениях, чтобы сделать температуру всех частей системы одинаковой. Связанный с этим движением перенос теплоты называется теплопроводностью.
Закон Фурье (Франция, 1822):
градиент температуры вдоль оси Х. поверхность, пересекаемая потоком.
С молекулярно кинетической точки зрения:
удельная теплоемкость газа.
Теплопроводность газов, как видим, не зависит от р, но лишь до тех пор, пока - расстояния между поверхностями, обменивающимися теплом. При ϰ зависит от р и при . Это используется в сосудах Дюара. При .
В проводящих средах эта скорость может быть еще больше.
Теплопроводность металлов и сплавов оценивается законом Вадемана Франца:
5.Вязкость, внутреннее трение.
Поток жидкости или газа, скорость течения в котором различна в разных местах. Состояние неравновесное, будут происходить процессы, стремящиеся выровнить скорости течений. Это внутреннее трение или вязкость.
Уравнение закона вязкости:
K поток импульса, передаваемого от слоя к слою через поверхность . относительная скорость движения слоёв жидкости.
показывает, как быстро изменяется скорость течения жидкости или газа в направлении перпендикулярном к направлению движения.
Термодинамическая система — тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и веществом.
Термодинамическая система имеет границы, отделяющие ее от окружающей среды. Границы термодинамической системы могут быть как реальными (газ в резервуаре, граница раздела фаз), так и чисто условными в виде контрольной поверхности.
Прикрепленные файлы: 1 файл
фИЗИКА.docx
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Центр дистанционного образования
по дисциплине: Физика
по теме: ЯВЛЕНИЕ ПЕРЕНОСА В ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ НЕРАВНОВЕСНЫХ СИСТЕМАХ.
ВВЕДЕНИЕ
Термодинамическая система
Термодинамическая система — тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и веществом.
Термодинамическая система имеет границы, отделяющие ее от окружающей среды. Границы термодинамической системы могут быть как реальными (газ в резервуаре, граница раздела фаз), так и чисто условными в виде контрольной поверхности.
Термодинамическая система может энергетически взаимодействовать с окружающей средой и с другими системами, а также обмениваться с ними веществом. В зависимости от условий взаимодействия с другими системами различают изолированную, замкнутую, открытую и адиабатно изолированную термодинамические системы.
Термодинамическая система, которая не может обмениваться энергией и веществом с другими системами, называется изолированной. В такой системе отдельные части (подсистемы) могут взаимодействовать между собой. Термодинамическая система называется закрытой, если она не может обмениваться веществом с другими системами. Термодинамические системы, которые могут обмениваться веществом с другими системами, называются открытыми.
Термодинамическая система, которая не может обмениваться теплотой с другими системами (окружающей средой), называется теплоизолированной или адиабатно изолированной.
С окружающей средой термодинамическая система может энергетически взаимодействовать посредством передачи теплоты и производства работы.
В тех состояниях, когда можно пренебречь влиянием сил взаимодействия между молекулами и объёмом самих молекул (сильно нагретый газ при небольших давлениях), газ называют идеальным. В противном случае газ называется реальным.
Совокупность физических свойств системы в рассматриваемых условиях называют термодинамическим состоянием системы.
Различают равновесное (стационарное) и неравновесное (нестационарное) состояния термодинамической системы.
Макроскопические величины (т. е. величины, которые характеризуют тело в целом), характеризующие физические свойства тела в данный момент, называются термодинамическими параметрами состояния. Последние разделяются на интенсивные (не зависящие от массы тела) и на экстенсивные (пропорциональные массе тела).
К основным параметрам состояния, поддающимся непосредственному измерению простыми техническими средствами, относятся абсолютное давление , удельный объём и абсолютная температура . Эти три параметра носят название термических параметров состояния.
К параметрам состояния относятся также внутренняя энергия , энтальпия и энтропия , которые носят название калорических параметров состояния.
Равновесным состоянием термодинамической системы называется такое состояние, которое характеризуется при постоянных внешних условиях неизменностью параметров во времени и отсутствием в системе потоков. Состояние термодинамической системы, при котором во всех ее частях температура одинакова, называют термическим равновесным состоянием.
Изолированная термодинамическая система независимо от своего начального состояния с течением времени всегда приходит в состояние равновесия. Необходимо отметить, что никогда самопроизвольно выйти из него система не может (основной постулат термодинамики — нулевое начало).
Состояние термодинамической системы, при котором значения параметров во всех частях ее остаются неизменными во времени благодаря внешнему воздействию потоков вещества, энергии, импульса, заряда и т. п., называется стационарным. Если значения параметров изменяются во времени, то состояние термодинамической системы называется нестационарным.
Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее параметров, называется термодинамическим процессом. Если одна система совершает работу над другой системой с помощью механических и электрических сил, то взаимодействие называется механическим. Взаимодействие, которое приводит к изменению энергии и совершается в форме передачи теплоты посредством теплопроводности или тепловой радиации, называется тепловым. Взаимодействие, приводящее к изменению энергии и совершаемое в форме передачи массы, называется массообменным.
Различают равновесные и неравновесные процессы.
Равновесным процессом называется термодинамический процесс, представляющий собой непрерывную последовательность равновесных состояний. В таком процессе физические параметры изменяются бесконечно медленно, так что система все время находится в равновесном состоянии. Кроме того, все части системы имеют одинаковые температуру и давление.
Неравновесным процессом называется термодинамический процесс, представляющий собой последовательность состояний, среди которых не все являются равновесными. В неравновесном процессе различные части системы имеют разные температуры, давления, плотности, концентрации.
Если термодинамическая система выведена из состояния равновесия и предоставлена сама себе, то через некоторый промежуток времени она снова придет в состояние равновесия. Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное называется релаксацией, а время перехода в состояние равновесия — временем релаксации.
Итак, в термодинамических неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, импульса.
К явлениям переноса относятся теплопроводность, обусловленная переносам энергии, диффузия, обусловленная переносом массы, и внутреннее трение (вязкость), обусловленное переносом импульса.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Теплопроводность. Закон Фурье
Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества – молекулами, атомами, электронами – в процессе их теплового движения. Механизм переноса теплоты зависит от агрегатного состояния тела. В жидкостях и твердых телах – диэлектриках – перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества. В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения. В металлах теплопроводность осуществляется главным образом вследствие движения свободных электронов.
Основной закон теплопроводности:
-коэффициент теплопроводности (теплофизическая характеристика материала). Определяется экспериментально. Характеризует способность вещества проводить тепло. Для газа:
где CV – удельная теплоемкость газа при постоянном объеме, r – плотность газа, – среднеарифметическая скорость теплового движения молекул, – длина свободного пробега.
Различают теплоизоляционные и теплопроводящие материалы.
Внутреннее трение (вязкость). Закон Ньютона
Механизм возникновения внутреннего трения между параллельными слоями газа или жидкости, движущимися с различными скоростями, заключается в том, что из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями, в результате чего, импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, а движущегося медленнее, увеличивается, что приводит к торможению слоя, движущегося быстрее, и к ускорению слоя, движущегося медленнее. Сила внутреннего трения между двумя слоями газа или жидкости подчиняется закону Ньютона (1687):
где h – динамическая вязкость, dv / dx – градиент скорости, показывающий быстроту изменения скорости в направлении оси x перпендикулярно направлению движения слоев, S – площадь, на которую действует сила F.
Взаимодействие двух слоев, согласно второму закону Ньютона, можно рассматривать как процесс, при котором от одного слоя к другому в единицу времени передается импульс, по модулю равный действующей силе. Тогда выражение (5) можно представить в виде
Динамическая вязкость численно равна плотности потока импульса при градиенте скорости равном единице. Ее можно вычислить по формуле
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Из сопоставления формул (1), (4), (7), описывающих явление переноса, следует, что закономерности всех явлений сходны между собой. Эти законы были установлены задолго до того, как они были обоснованы и выведены из МКТ, позволившей установить, что внешние сходства их математических выражений обусловлены общностью, лежащего в основе явлений теплопроводности, диффузии и внутреннего трения молекулярного механизма – перемешивание молекул в процессе их хаотического движения и столкновения друг с другом. Рассмотренные законы Фурье, Фика и Ньютона не вскрывают молекулярно кинетического смысла коэффициентов l, D и h. Выражения для коэффициентов переноса записаны без вывода, т.к. строгое рассмотрение явлений переноса довольно громоздко, а качественное не имеет смысла.
Формулы (2), (5) и (8) связывают коэффициенты переноса и характеристики теплового движения молекул. Используя эти формулы, можно по найденным из опыта данным, зная одни величины определить другие.
Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!
§ 1. Теплопроводность в твердых телах.
Понятие теплопроводности. Теплопроводность металлов. Теплопроводность диэлектриков.
§ 2. Перенос массы в твердых телах (диффузия).
§3. Перенос импульса в твердых телах (вязкое трение).
§4. Перекресные процессы переноса в твердых телах.
Явления переноса - неравновесные процессы, в результате которых в физической системе происходит пространственный перенос электрического заряда, вещества, импульса, энергии, энтропии или какой-либо другой физической величины.
Общую феноменологическую теорию явлений переноса, применимую к любой системе (газообразной, жидкой или твёрдой), даёт термодинамика неравновесных процессов. Более детально явления переноса изучает кинетика физическая. Явления переноса в газах рассматриваются на основе кинетической теории газов с помощью кинетического уравнения Больцмана для функции распределения молекул; явления переноса в металлах - на основе кинетического уравнения для электронов в металле; перенос энергии в непроводящих кристаллах - с помощью кинетического уравнения для фононов кристаллической решётки. Общая теория явлений переноса развивается в неравновесной статистической механике на основе Лиувилля уравнения для функции распределения всех частиц, из которых состоит система.
Причиной явлений переноса являются - возмущения, нарушающие состояние термодинамического равновесия: действие внешнего электрического поля, наличие пространственных неоднородностей состава, температуры или средней скорости движения частиц системы.
Перенос физической величины происходит в направлении, обратном её градиенту, в результате чего изолированная от внешних воздействий система приближается к состоянию термодинамического равновесия. Если внешние воздействия поддерживаются постоянными, явления переноса протекают стационарно, которые характеризуются необратимыми потоками Ji физической величины, например, диффузионным потоком вещества, тепловым потоком или тензором потока импульса, связанного с градиентами скоростей.
При малых отклонениях системы от термодинамического равновесия потоки линейно зависят от термодинамических сил Хk, вызывающих отклонение от термодинамического равновесия, и описываются феноменологическими уравнениями где Lik - феноменологический коэффициент переноса (в термодинамике неравновесных процессов) или кинетические коэффициенты (в физ. кинетике), вычисляемые с помощью решения кинетических уравнений. Термодинамические силы Хk вызывают необратимые потоки; например, градиент температурыры вызывает поток теплоты (теплопроводность ),градиент концентрации вещества - поток компонента смеси (диффузия ),градиент массовой скорости - поток импульса (вязкость). Перенос вещества, вызванный градиентом температуры, - термодиффузию и обратный ей процесс переноса тепла вследствие градиента концентрации (Дюфура эффект)называют перекрёстными процессами. Для перекрёстных процессов в отсутствии магнитного поля имеет место соотношение симметрии Lik = Lki (Онсагера теорема), являющееся следствием микроскопической обратимости уравнений,
Читайте также: