Кинетические явления

Кинетические явления (явления переноса) – необратимые процессы, сопровождающиеся переносом какой–либо физической величины, в результате перехода любой системы из неравновесного состояния в равновесное состояние.

Кинетические явления в молекулярной физике – вязкость, теплопроводность, диффузия.

Вязкость (внутреннее трение) – явление переноса, в результате которого происходит перенос количества движения (импульса) молекул из одного слоя газа или жидкости в другой.

Сила внутреннего трения в жидкости или газе определяется по формуле Ньютона:

,

где h – коэффициент вязкости;

DS – площадь соприкасающихся слоев жидкости или газа;

dv/dz – градиент скорости течения жидкости или газа в направлении, перпендикулярном направлению течения.

Коэффициент динамической вязкости – физическая величина, численно равная силе внутреннего трения между двумя слоями жидкости или газа единичной площади при градиенте скорости, равном единице:

, или ,

где n₀ – число молекул в единице объема;

<u> – средняя скорость теплового движения молекул;

m – масса молекулы;

<l> – средняя длина свободного пробега молекул;

r = n₀×m – плотность жидкости или газа.

Коэффициент кинематической вязкости – отношение динамической вязкости к плотности вещества:

ν = η/ρ.

Диффузия – это процесс взаимного проникновения молекул (атомов) постороннего вещества, обусловленный их тепловым движением. Диффузия всегда сопровождается переносом массы вещества. Она характерна для газов, жидкостей и твердых тел.

Самодиффузия – процесс взаимного проникновения собственных молекул (атомов), обусловленный их тепловым движением.

Закон диффузии (первый закон Фика):

,

где D – коэффициент диффузии;

dс/dz – скорость изменения (градиент) концентрации в направлении z;

«минус» – показывает, что масса переносится в направлении убывания концентрации данной компоненты.

Коэффициент диффузии – физическая величина, числено равная массе переносимого вещества через единичную площадку в единицу времени при градиенте концентрации, равном единице:

,

где <v> – средняя арифметическая скорость молекул;

<l> – средняя длина свободного пробега молекул.

Теплопроводность – процесс переноса энергии между контактирующими телами или двумя поверхностями одного и того же тела, возникающий из–за разности температур.

Закон теплопроводности (закон Фурье) – количество тепла dQ, перенесенное через площадку dS за время dt, равно

,

где χ – коэффициент теплопроводности;

dT/dz – скорость изменения (градиент) температуры в направлении z.

Коэффициент теплопроводности – физическая величина, которая показывает, какое количество тепла переносится через единичную площадку в единицу времени при градиенте температур, равном единице:

,

где c_v – удельная теплоемкость при постоянном объеме.

Тепловой поток – физическая величина, которая показывает, какое количество тепла переносится в единицу времени через площадь dS при градиенте температуры dT/dz:

.

Связь между коэффициентами теплопроводности, диффузии и вязкости:

; h = Dr; .