Явлениями переноса называются необратимые процессы в термодинамически неравновесных системах, в которых происходит пространственный перенос энергии (теплопроводность), массы (диффузия), импульса (внутреннее трение).
Будем рассматривать идеальный газ плотностью , у которого
- средняя скорость теплового движения молекул.
- средняя длина свободного пробега.
Теплопроводность.
Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул – выравнивание температур.
Перенос энергии ( в форме теплоты) описывается законом Фурье.
(28.1)
(28.2)
Здесь - плотность теплового потока – тепловая энергия, переносимая в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х,
- коэффициент теплопроводности;
- градиент скорости – скорость изменения температуры на единицу длины x в направлении нормали к этой площадке;
- удельная теплоемкость газа при постоянном объёме (количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К.
Диффузия.
Явление диффузии заключается в том, что происходит самопроизвольное проникновение и перемешивание частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел. Диффузия сводится к обмену частицами (перенос масс) между этими телами, возникает и продолжается, пока существует градиент плотности.
Перенос массы (диффузия) для химически однородного газа подчиняется закону Фика:
(28.3)
(28.4)
Здесь - плотность потока массы – масса вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х;
- коэффициент диффузии;
- градиент плотности, равный скорости изменения плотности на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке.
Внутреннее трение.
Если два соприкасающихся слоя движутся с различными скоростями, то может происходить выравнивание скоростей слоев газов. В среднем импульсы молекул таких слоев различны - молекулы более быстрых слоев имеют большие значения импульсов. Переход молекул из быстрых слоев в более медленный сопровождается переносом импульса упорядоченного движения.
Противоположное по характеру действие оказывают молекулы медленного слоя, перешедшие в быстрый слой, - в этом слое возникают тормозящие силы. Суммарный эффект при этом - выравнивание скоростей слоев. Это явление называется внутренним трением.
Внутреннее трение описывается законом Ньютона:
(28.5)
(28.6)
Здесь - плотность потока импульса – полный импульс, переносимый в единицу времени в положительном направлении оси х через площадку, перпендикулярную оси х;
- динамическая вязкость;
- градиент скорости, показывающий быстроту изменения скорости в направлении х, перпендикулярном направлению движения слоев газа.