Zjawiska transportu (dyfuzja, przewodność cieplna, lepkość)




W układach nierównowagowych zachodzą specjalne procesy nieodwracalne, zwane zjawiskami przenoszenia , które powodują przestrzenny transfer masy, energii i pędu.

Dyfuzja wynika z przeniesienia masy, przewodności cieplnej z powodu transferu energii i lepkości z powodu przeniesienia pędu .

Aby scharakteryzować nieodwracalne procesy przenoszenia, wprowadza się parametry ruchu termicznego cząsteczek: średnia liczba zderzeń cząsteczki na jednostkę czasu i średnia swobodna ścieżka cząsteczek .

Średnia liczba zderzeń cząsteczki w 1 s : ,

gdzie d jest skuteczną średnicą cząsteczek, tj. minimalna odległość, w której środki dwóch cząsteczek zbliżają się do siebie, gdy zderzają się,

- efektywny przekrój molekularny, - stężenie cząsteczek

- średnia arytmetyczna prędkości cząsteczek.

Średnia swobodna ścieżka cząsteczek tj. średnia ścieżka przebyta przez cząsteczkę między dwoma kolejnymi zderzeniami:

.

Rozważając zjawiska przenoszenia jednowymiarowego, układ odniesienia jest wybierany tak, że oś x jest zorientowana w kierunku transferu.

1. Dyfuzja. Zjawisko dyfuzji polega na tym, że następuje spontaniczne przenikanie i mieszanie cząstek dwóch sąsiadujących gazów, cieczy, a nawet ciał stałych. Dyfuzja zmniejsza się do transferu masy, powstaje i trwa do momentu, gdy gradient gęstości na granicy między dwoma ośrodkami jest niezerowy.

Gradient gęstości wzdłuż wybranej osi x , prostopadłej do płaszczyzny kontaktu dwóch mediów, oznaczono jako i pokazuje, jak szybko zmienia się wartość gęstości od punktu do punktu wzdłuż osi x.

Ilościowo zjawisko dyfuzji jest zgodne z prawem Ficka :

,

gdzie - gęstość strumienia masy, to znaczy wartość określona przez masę gazu dyfundującego przez pojedynczy obszar S na jednostkę czasu,

- gradient gęstości gazu w kierunku x , prostopadle do wybranego obszaru S ,

D jest współczynnikiem dyfuzji .

Znak minus w powyższym wzorze oznacza, że ​​transfer masy następuje w kierunku malejącej gęstości.

Zgodnie z teorią kinetyki molekularnej gazu idealnego współczynnik dyfuzji D wynosi : ,

gdzie - średnia szybkość ruchu termicznego cząsteczek,

- średnia swobodna ścieżka cząsteczek.

2. Przewodność cieplna. Jeśli w jednym obszarze gazowym temperatura jest wyższa niż w innym, to wraz z upływem czasu, w wyniku ciągłych zderzeń cząsteczek, zachodzi proces wyrównania średnich energii kinetycznych cząsteczek, czyli proces wyrównania temperatury. Ten proces przenoszenia energii, zwany przewodzeniem ciepła , zachodzi i trwa do momentu, gdy gradient temperatury na granicy dwóch części gazu jest niezerowy.


border=0


Gradient temperatury T gazu wzdłuż wybranej osi x , prostopadłej do płaszczyzny styku dwóch części gazowych mających różne temperatury, oznaczono jako i pokazuje, jak szybko zmienia się temperatura gazu z punktu do punktu wzdłuż osi x.

Ilościowo przewodność cieplna jest zgodna z prawem Fouriera :

,

gdzie Czy gęstość strumienia ciepła jest określona przez energię przekazaną w postaci ciepła przez pojedynczy obszar S na jednostkę czasu,

- gradient temperatury w kierunku x , prostopadle do wybranego obszaru S ,

- współczynnik przewodności cieplnej .

Znak minus w powyższym wzorze oznacza, że ​​przy przewodności cieplnej energia jest przenoszona w kierunku malejącej temperatury.

Według molekularnej teorii kinetycznej gazu idealnego przewodność cieplna : ,

gdzie - ciepło właściwe gazu w procesie izochorycznym (ilość ciepła potrzebnego do izochorycznego ogrzewania 1 kg gazu na 1 K ),

- gęstość gazu

- średnia szybkość ruchu termicznego cząsteczek,

- średnia swobodna ścieżka cząsteczek.

3. Lepkość . Lepkość jest właściwością cieczy lub gazu ze względu na tarcie wewnętrzne pomiędzy sąsiadującymi równoległymi warstwami cieczy lub gazu poruszającymi się z różnymi prędkościami. W efekcie impuls warstwy poruszającej się szybciej zmniejsza się, a ruchu wolniejszego wzrasta, co prowadzi do spowolnienia warstwy poruszającej się szybciej i przyspieszenia wolniejszej warstwy. Innymi słowy, tarcie wewnętrzne prowadzi do przeniesienia impulsu z jednej ruchomej warstwy cieczy lub gazu na drugą warstwę stykającą się z nią.



Ilościowo , siła tarcia wewnętrznego między dwiema stykającymi się warstwami cieczy lub gazu jest zgodna z prawem Newtona :

,

gdzie h jest współczynnikiem lepkości dynamicznej ,

- gradient prędkości, pokazujący szybkość zmiany szybkości przepływu cieczy lub gazu z warstwy do warstwy w kierunku x, prostopadle do kierunku ruchu warstw,

S jest obszarem kontaktu między warstwami cieczy lub gazu, na które wpływa wewnętrzna siła tarcia F.

Prawo Newtona do tarcia wewnętrznego można przedstawić jako:

,

gdzie - gęstość strumienia impulsów - wartość określona przez impuls przekazywany na jednostkę czasu przez pojedynczy obszar S kontaktu cieczy lub warstw gazu w kierunku osi x, prostopadle do kierunku ruchu cieczy lub warstw gazu.

Znak minus w powyższym wzorze oznacza, że ​​impuls jest przenoszony z warstwy na warstwę cieczy (gazu) w kierunku malejącej prędkości ich ruchu.

Zgodnie z teorią molekularno-kinetyczną gazu idealnego, lepkość dynamiczna gazu idealnego h jest określana w następujący sposób:

,

gdzie - gęstość gazu

- średnia szybkość ruchu termicznego cząsteczek,

- średnia swobodna ścieżka cząsteczek.





; Data dodania: 2014-02-02 ; ; Wyświetleń: 43346 ; Czy opublikowany materiał narusza prawa autorskie? | | Ochrona danych osobowych | PRACA ZAMÓWIENIA


Nie znalazłeś tego, czego szukałeś? Użyj wyszukiwania:

Najlepsze powiedzenia: Podczas pracy w laboratorium uczeń udaje, że wie wszystko; nauczyciel udaje, że mu wierzy. 8345 - | 6642 - lub przeczytaj wszystko ...

Zobacz także:

border=0
2019 @ edudoc.icu

Generowanie strony ponad: 0,003 sek.