Явища переносу у газах

Перехід ідеального газу з нерівноважного стану в рівноважний здійснюється завдяки явищам переносу — дифузії, теплопровідності та внутрішнього тертя. Так рівноважні процеси — ізобаричний, ізотермічний та інші — можливі лише за наявності цих явищ, завдяки яким відбувається неперервне вирівнювання густини, тиску й температури в цьому об’ємі газу. У деяких випадках явища переносу необхідно застосовувати для практичних завдань, таких як розрахунок кількості тепла, що проходить крізь певний шар газу, середньої швидкості течії газу у вузьких трубках та ін.

Дифузія в газах

Процес дифузії полягає у вирівнюванні густини або складу газу у певному об’ємі й пов’язаний з переносом маси речовини з однієї області об’єму до іншого. Перемішування молекул у результаті їх теплового руху приводить до вирівнювання густини газу в усьому об’ємі.

Припустимо, у деякому об’ємі v — середня арифметична швидкість молекул газу. Нехай у напрямку, що збігається з напрямком осі Ох спостерігається градієнт густини —dρ/dx, який характеризує її зміну.

Виберемо деяку плоску поверхню площею S, яка буде орієнтована перпендикулярно до осі Ох. Оскільки густина газу з різних сторін цієї поверхні різна, то кількість молекул, що прохдять крізь неї в напрямку зменшення густини, буде більшим, ніж у зворотному напрямку. Якщо помножити різницю чисел на масу однієї молекули, то отримаємо результуючий переніс маси в напрямку зменшення концентрації.

Кількість речовини dM, яка пройде крізь поверхню S за час dt,
буде пропорційна величинам S, dt і градієнту густини:

Явища переносу у газах
(2.32)

Знак мінус вказує, що дифузія відбувається в напрямку зменшення густини. D — коефіцієнт дифузії, який залежить лише від речовини газу, він чисельно дорівнює масі газу, що переноситься через одиничну поверхню за одиницю часу. Для коефіцієнта дифузії нескладно отримати такий вираз:

Явища переносу у газах
(2.33)

< λ > — середня довжина вільного пробігу молекул — середня відстань, яку проходить молекула між двома послідовними зіткненнями.

Незважаючи на велику швидкість теплового руху молекул газу, дифузія відбувається дуже повільно. Це пояснюється тим, що через численні зіткнення між молекулами вони проходять значно більший шлях, ніж відстань між двома точками в газі по прямій. Формулу (2.32) для маси dM, що переноситься, називають рівнянням дифузії, або законом Фіка.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *