Явления переноса в термодинамически неравновесных системах

В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы и импульса.

Теплопроводность обусловлена переносом энергии.

Диффузия обусловлена переносом массы.

Внутреннее трение обусловлено переносом импульса.

Теплопроводность. Если в одной области газа температура (средняя кинетическая энергия молекул) выше, чем в другой, то вследствие постоянного столкновения молекул происходит выравнивание температур.

Перенос энергии в форме теплоты подчиняется закону Фурье: , где

- плотность теплового потока – величина, определяемая энергией, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси Х;

l - теплопроводность;

- градиент температуры.

Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносится в направлении убывания температуры.

, где:

– удельная теплоемкость газа при постоянном объеме;

áJñ - средняя скорость теплового движения молекул;

- средняя длина свободного пробега.

Диффузия – это выравнивание концентрации молекул двух соприкасающихся тел за счет взаимного проникновения и перемешивания частиц. Для химически однородного газа явление диффузии подчиняется закону Фика: , где:

– плотность потока массы – масса вещества, диффундирующая в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси Х;

– диффузия (коэффициент диффузии);

- градиент плотности.

Знак минус показывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности.

Согласно кинетической теории: .

Внутреннее трение (вязкость) возникает между параллельными слоями газа (жидкости), движущимися с различными скоростями и заключается в том, что из-за хаотического движения происходит обмен молекулами между слоями. В результате импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, а движущегося медленнее – увеличивается.

Сила внутреннего трения подчиняется закону Ньютона: , где:

- динамическая вязкость (вязкость);

- градиент скорости по направлению х, перпендикулярному направлению движения слоев;

S – площадь, на которую действует сила F.

- импульс, переносимый в единицу времени вдоль оси х через единичную площадку, перпендикулярную оси x (плотность потока импульса).

. Было установлено, что и = 1,

где: - динамическая вязкость; – коэффициент диффузии;

- теплопроводность.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о теплопроводности, как о явлении переноса энергии.

2. Расскажите о диффузии, как о явлении переноса массы.

3. Расскажите о внутреннем трении, как о явлении переноса импульса.

Выберите правильный ответ на поставленные вопросы:

1. Площадь какой из отмеченных фигур соответствует работе, совершаемой идеальным газом в процессе 1 – 2?	2. Для работы тепловой машины принципиально необходимы…
1. А 2. В 3. С 4. D 5. Е	1. …Рабочее тело, нагреватель, камера внутреннего сгорания. 2. …холодильник, нагреватель, рабочее тело. 3. … холодильник, нагреватель, змеевик. 4. … холодильник, рабочее тело, катушка зажигания. 5. … рабочее тело, холодильник, камера внешнего сгорания.
3. Как соотносятся показатели адиабаты g для трех газов: СН4 - показатель адиабаты g1, N2 - показатель адиабаты g2 и Не - показатель адиабаты g3.	4. Что такое круговой процесс?
1. g1 > g2 > g3 2. g3 > g2 > g1 3. g2 > g1 > g3 4. g1 > g3 > g2 5. g2 > g3 > g1	1. Процесс, в результате которого система после ряда изменений возвращается в исходное состояние. 2. Процесс, в результате которого рабочее тело может совершать только положительную работу. 3. Процесс, в результате которого рабочее тело может совершать только отрицательную работу. 4. Процесс, который в координатах Р от V всегда имеет форму окружности. 5. Процесс, всегда проходящий через те же состояния, через которые проходит прямой процесс, но в обратной последовательности.
5. На диаграмме представлен процесс 1 – 2, происходящий с идеальным газом. Выберите верное утверждение относительно данного процесса.	6. Циклический процесс состоит из изотермы, изобары и изохоры. Определите направление теплопередачи в каждом из процессов (Q>0 – теплота поступает в систему, Q<0 – теплота передается окружающей среде).
1. Внутренняя энергия газа увеличилась.     2. Плотность газа увеличилась. 3. Сжатие газа происходит адиабатически. 4. Работа газа положительна. 5. Газ получил теплоту от окружающей среды	1. Q12 = 0, Q23<0, Q31>0 2. Q12 < 0, Q23<0, Q31=0 3. Q12 > 0, Q23= 0, Q31>0 4. Q12 > 0, Q23<0, Q31>0 5. Q12 < 0, Q23<0, Q31<0
7. Максимальный коэффициент полезного действия h тепловой машины равен (Т1, Т2-абсолютные температуры нагревателя и холодильника)…	8. Тепловая машина работает по циклу Карно RLMN. Выберите участки цикла, на которых происходит отдача или получение тепла.
1. h = Т2 /Т1 2. h = Т1/ (Т2 + Т1) 3. h = Т2/ (Т1 + Т2) 4. h = (Т1 + Т2)/ Т1 5. h = (Т1 - Т2)/ Т1	1. NK – получение тепла, LM – отдача тепла. 2. LM – получение тепла, NK – отдача тепла.     3. KL – получение тепла, MN – отдача тепла. 4. MN – получение тепла, KL – отдача тепла. 5. KL – получение тепла.
9. Чему равна теплоемкость одного моля идеального газа при изобарном процессе (i – число степеней свободы молекулы)?	10. Метан СН4 находится при комнатной температуре. Каковы его молярные теплоемкости в (а) изохорном и (б) изобарном процессах?
1. . 2. 3. . 4. ¥ 5. 0	1. а) 7k/2, б) 9k/2 2. а) 5R/2, б) 7R/2 3. а) 3R/2, б) 5R/2 4. а) 3R, б) 4R 5. а) 5k/2, б) 7k/2
11. Второе начало термодинамики утверждает, что при любых процессах…	12. Почему для идеального газа молярная теплоемкость при постоянном давлении больше молярной теплоемкости при постоянном объеме ?
1. …протекающих в системе, ее энтропия только возрастает. 2. …протекающих в замкнутой системе, ее энтропия не меняется. 3. …протекающих в замкнутой системе, ее энтропия только убывает. 4. …протекающих в замкнутой системе, ее энтропия не убывает. 5. …протекающих в системе, ее энтропия только убывает.	1. В изобарном процессе совершается работа. 2. Теплота в обоих процессах поглощается одинаково. 3. В изохорном процессе теплоемкость равна нулю. 4. Рост внутренней энергии газа больше в изобарном процессе. 5. Потребление теплоты больше в изобарном процессе.
13. Второе начало термодинамики утверждает, что невозможны процессы…	14. Какие утверждения относительно явлений переноса являются справедливыми.
1. …в результате которых теплота переходит от менее нагретого к более нагретому телу. 2. …единственным результатом которых было бы отнятие некоторой теплоты от тела. 3. … результатом которых было бы отнятие некоторой теплоты от тела. 4. …единственным результатом которых был бы переход теплоты от более нагретого к менее нагретому телу. 5. …единственным результатом которых было бы отнятие некоторой теплоты от тела и превращение этой теплоты в работу.	1. Вязкость связана с переносом массы, диффузия – с переносом энергии, теплопроводность – с переносом импульса. 2. Вязкость - связана с переносом энергии, диффузия – с переносом массы, теплопроводность – с переносом импульса. 3. Вязкость - связана с переносом импульса, диффузия – с переносом массы, теплопроводность – с переносом энергии. 4. Вязкость - связана с переносом энергии, диффузия – с переносом импульса, теплопроводность – с переносом массы. 5. Вязкость - связана с переносом импульса, диффузия – с переносом энергии теплопроводность – с переносом массы.