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