4. Явления переноса в газах
Явлениями переноса называются процессы выравнивания массы, импульса, энергии, электрического заряда и т. д.
К явлениям переноса относятся
-
диффузия (обусловленная переносом массы);
-
теплопроводность (обусловленная переносом энергии);
-
внутреннее трение или вязкость (обусловленная переносом импульса).
Диффузия в газе – это процесс перемешивания молекул, сопровождающийся переносом массы из мест с большей концентрацией (плотностью) данных молекул в места с меньшей концентрацией этих молекул. Таким образом, в процессе диффузии переносится масса, а изменяющейся величиной является плотность газа .
Явление диффузии
для химически однородного газа подчиняется
закону Фика:![]()
,
(18)
где
– плотность потока массы – величина,
определяемая массой вещества,
диффундирующего в единицу времени через
единичную площадку, перпендикулярную
оси x;
D – коэффициент диффузии, [м2/с];
градиент плотности,
[кг/м4], равный изменению плотности
на единицу длины х в направлении
нормали к этой площадке.
Знак «минус»
показывает, что перенос массы происходит
в направлении убывания плотности
(поэтому знаки Jm и
противоположны). Коэффициент диффузии
D численно равен плотности потока
массы при единичном градиенте плотности.
Согласно кинетической теории газов
.
(19)
Теплопроводность – это процесс выравнивания температуры газа, сопровождающийся направленным переносом тепла из более нагретых мест в менее нагретые.
Перенос энергии в форме теплоты подчиняется закону Фурье:
,
(20)
где
– плотность теплового потока –
величина, определяемая энергией,
переносимой в единицу времени через
единичную площадку, перпендикулярную
оси x;
коэффициент
теплопроводности,
;
,
К/м градиент
температуры, равный изменению
температуры на единицу длины x
в направлении нормали к этой площадке.
Знак «минус» показывает, что при теплопроводности тепловая энергия переносится в направлении убывания температуры. Коэффициент теплопроводности численно равен плотности теплового потока при единичном градиенте температуры.
Согласно кинетической теории газов
, (21)
где cV , Дж/(кгК) – удельная теплоемкость газа при постоянном объеме;
Внутреннее трение (вязкость) – это возникновение сил трения между слоями газа или жидкости, перемещающимися парал-лельно друг другу с различными скоростями.
Сила внутреннего трения описывается законом Ньютона:
, (22)
где коэффициент динамической вязкости, Пас;
градиент скорости,
1/c;
S – площадь, на которую действует сила F.
Закон Ньютона можно представить в виде
,
(23)
где
–
плотность потока импульса – величина,
определяемая полным импульсом, переносимым
в единицу времени в положительном
направлении оси x
через единичную площадку, перпендикулярную
этой оси;
градиент скорости.
Знак «минус» указывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости.
Динамическая вязкость численно равна плотности потока импульса при единичном градиенте скорости. Она вычисляется по формуле
.
(7.40)
Все явления переноса
сходны между собой. Зависимости между
D
и
:
= D , / ( cV ) = 1.
