Физическая кинетика. Явление переноса.

Если статистическая физика и термодинамика рассматривают равновесные состояния и процессы, то физическая кинетика изучает процессы, возникающие при нарушениях равновесия. Эти процессы являются необратимыми, т.к. система, выведенная из положения равновесия, стремится вернуться в равновесное состояние, что сопровождается ростом энтропии. Переход в равновесное состояние сопровождается также появлением потоков молекул, тепла и т.п. величин. Потоком некоторой величины называется количество этой величины, проходящее в единицу времени через некоторую реальную или воображаемую поверхность. Например, поток жидкости в трубе, поток света через окно, поток тепла через поверхность батареи и т.д. Явления, сопровождающиеся появлением потоков, получили название явленийпереноса, поскольку наличие потока означает перенос величины через некоторую воображаемую или реальную поверхность.

Каждое из явлений переноса обусловлено неодинаковостью значений в различных точках пространства некоторой величины . Например, при диффузии такой величиной является концентрация молекул. Мы ограничимся рассмотрением случаев, когда величина зависит только от одной координаты, например . Величину при рассмотрении явлений переноса обычно называют градиентом , хотя, фактически, эта величина является проекцией градиента на соответствующее направление.

Рассмотрим три явления переноса: диффузию, внутреннее трение, теплопроводность, которые описываются эмпирическими уравнениями одного вида.

Диффузией называется обусловленное тепловым движением самопроизвольное выравнивание концентраций компонентов некоторой смеси.

Ограничимся рассмотрением двухкомпонентных смесей газов.

Обозначим концентрации молекул одного и другого веществ и . Допустим, что вдоль оси созданы градиенты концентраций

и (11.3)

(рисунок 11.1). Чтобы исключить влияние на процесс выравнивания газодинамических потоков (т.е. макроскопических явлений типа ветра), будем считать, что давление вдоль выбранного направления (вдоль оси ) не изменяется. Поскольку , то при постоянной температуре в объеме рассматриваемой системы, постоянной должна быть суммарная концентрация молекул смешивающихся веществ: , поэтому градиенты концентраций должны быть связаны соотношением:

(11.4)

Экспериментально установлено, что в описанной ситуации через поверхность площадку S, перпендикулярную оси z, устанавливается поток молекул i -того сорта, равный:

(11.5)

Коэффициент пропорциональности в (11.5) D называется коэффициентомдиффузии, а выражение (11.5) – закономФика.

Экспериментально установлено, что если в некоторой среде вдоль оси z создать градиент температуры , то вдоль оси устанавливается поток тепла через площадку S, перпендикулярную оси z,:

(11.6)

где c – коэффициенттеплопроводности. Соотношение (11.6) называют законом Фурье.

Если в жидкой газообразной среде создан градиент скорости ее слоев , то между слоями возникает сила трения.

(11.7)

Здесь S – величина поверхности, по которой действует сила F.

По второму закону Ньютона взаимодействие с силой F можно рассматривать как результат передачи от одного слоя к другому в единицу времени импульса, т.е. существование потока импульса.

(11.8)

Минусы в правых частях уравнений (11.5), (11.6) и (11.8) отражают тот факт, что перенос соответствующих величин происходит в направлении их убывания.

Для того чтобы описать с МКТ точки зрения процессы переноса необходимо более детально представлять себе процессы взаимодействия молекул и связанные с этими процессами величины.