Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
6°. При весьма высоких температурах порядка десятков тысяч градусов происходит увеличение теплоемкости, связанное с тем, что значения kT при этих условиях по порядку величины сравнимы с Awajl — изменением энергии электронов при их переходах с более низких энергетических уровней на более высокие. Кроме того, при высоких температурах вклад в теплоемкость вносят процессы диссоциации и ионизации газов.
§ 11.3.8. Явления переноса в газах
1°. Явления переноса объединяют группу процессов, связанных с неоднородностями плотности, температуры или скорости упорядоченного перемещения отдельных слоев вещества. Выравнивание неоднородностей приводит к возникновению явлений переноса. К явлениям переноса относятся диффузия, внутреннее трение и теплопроводность.
2°. Явления переноса в газах и жидкостях состоят в том, что в этих веществах возникает упорядоченный, направленный перенос массы (диффузия), импульса (внутреннее трение) и внутренней энергии (теплопроводность). При этом в газах нарушаются полная хаотичность движения молекул и максвелловское распределение молекул по скоростям (11.3.3.2°). Отклонениями от закона Максвелла объясняется направленный перенос физических характеристик вещества в явлениях переноса. В простейших случаях одномерных явлений переноса физические величины, определяющие эти явления, зависят только от одной декартовой координаты.
3°. Явлением диффузии называется самопроизвольное взаимное проникновение и перемешивание частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей или твердых тел. В химически чистых газах при постоянной температуре диффузия возника-ет вследствие неодинаковой плотности в различных частях
154
ГЛ. II.3. КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ
объема газа. Для смеси газов диффузия вызывается различием в концентрациях отдельных газов в различных частях объема смеси.
В химически однородном газе явление одномерной диффузии заключается в переносе массы газа из мест с большей плотностью газа в места с меньшей плотностью и подчиняется зако- '¦ ну Фика:
do
тсек - ~Ddoc'
Здесь тсек — удельный поток массы, численно равный массе вещества, которое диффундирует за единицу времени через плоскую поверхность с площадью, равной единице, перпенди-і кулярную к направлению переноса вещества, р — плотность.
газа, D — коэффициент диффузии. Производная ^ численно^
равна градиенту плотности (изменению плотности на единицу] длины). Коэффициент диффузии численно равен удельному? потоку массы при единичном градиенте плотности. Знак ми-| нус в законе Фика показывает, что перенос массы осуществляется в направлении убывания плотности.
Другая форма закона Фика:
dnc,
CCK
где j — — плотность потока молекул при диффузии, т. е.
число молекул, диффундирующих за единицу времени через поверхность, указанную в п. 3°, п0 — концентрация молекулу равная числу их в единице объема, т — масса одной молеку-1 лы, так что р = п0т.
В общем случае трехмерной диффузии, когда концентрации! молекул п0 зависит от трех координат х, у, г, т. е. п0 = п0 (х, у, z)J закон Фика для плотности потока молекул
j = -D grad n0,
где j — вектор плотности потока молекул, модуль которого имеет прежний смысл, а направление совпадает с направлени; ем переноса вещества.
§ II.3.8. ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА В ГАЗАХ
155
Выражение для коэффициента диффузии D, которое получается в кинетической теории газов:
где (и) — средняя арифметическая скорость теплового движения молекул (11.3.3.6°), (X) — средняя длина свободного пробе-
4°. Явлением внутреннего трения (вязкости) называется появление сил трения между слоями газа или жидкости, движущимися друг относительно друга параллельно и с разными по величине скоростями. Слой, движущийся быстрее, действует с ускоряющей силой на более медленно движущийся слой. Наоборот, медленно движущийся слой тормозит более быстро движущийся слой газа. Силы внутреннего трения, которые возникают при этом, направлены по касательной к поверхности соприкосновения слоев. Причиной вязкости является наложение упорядоченного движения слоев газа с различными скоростями V и теплового хаотического движения молекул CO скоростями, зависящими от температуры. Хаотическое движение молекул переносит их из слоя В, движущегося со скоростью V2, в слой А, движущийся CO скоростью V1 (рис. II.3.7). При этом происходит перенос импульсов тп\ упорядоченного движения молекул. Если V1 > V2, то молекулы, ранее бывшие в слое В, оказавшись в слое А, при столкновениях с его молекулами ускоряют свое упорядоченное движение, а упорядоченно движущиеся молекулы слоя А — замедляют. Наоборот, при переходе молекул из быстрее движущегося слоя А в слой В они переносят большие импульсы Znv1, и межмолекулярные соударения в слое В ускоряют движение молекул этого слоя.
Явление внутреннего трения описывается законом Ньютона:
га (11.3.5.1°).
где т — напряжение трения зическая величина, числені силе внутреннего трения, Щей на единицу площади по:
Рис. ІІ.3.7
156
ГЛ. II.3. КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ
нение скорости движения слоев на единицу длины в направлении внутренней нормали п к поверхности слоя. Сила внутреннего трения противоположна по направлению производной по п от вектора V скорости движения газа.
