Свойства переноса в многокомпонентных системах

Процессы переноса теплоты, импульса и массы, обусловленные самопроизвольными перемещениями молекул, радикалов, атомов, ионов, имеющими в газах и жидкостях характер броуновского, а в твердых телах - колебательного движения, протекают в направлении выравнивания температур, давлений и концентраций.

Согласно воззрениям молекулярно-кинетической теории интенсивность процессов переноса в газах и жидкостях однозначно определяется длиной свободного пробега частиц и, следовательно, их физико-химическими характеристиками и параметрами состояния. В зависимости от последних длина свободного пробега может изменяться в широких пределах, а в нормальных условиях она составляет порядка нескольких десятых долей микрометра. Так, средний свободный пробег молекул азота и кислорода в воздухе при обычных атмосферных условиях приблизительно равен (5…8)10^-8 м.

Процесс распространения теплоты в покоящейся среде описывается уравнением Фурье:

q/(τ^.f) = - λ^.dT/dn

где λ - коэффициент пропорциональности между плотностью теплового потока q/(τ^.f) и градиентом температур dT/dn в направлении, нормальном к поверхности, через которую проходит тепловой поток.

Коэффициент λ в уравнении носит название коэффициента теплопроводности и численно равен величине теплового потока, проходящего через слой вещества единичной толщины и площади при единичной разности температур на его границах. Величина коэффициента теплопроводности газов и газовых смесей уменьшается с ростом их молекулярной массы и повышается с увеличением температуры.

При движении какого-либо тела в жидкости или в газе возникают силы, противодействующие этому, движению. Их называют силами сопротивления среды. Они вызваны тем, что движущееся тело увлекает за собой частицы жидкости и перемещает ее слои относительно друг друга. При этом возникают тормозящие силы, которые называются силами внутреннего трения, или силами вязкости (вязкостью).

Ньютон показал, что для тонких слоев жидкости, находящихся на расстоянии Δx друг от друга и движущихся со скоростью v₁ и v₂, сила внутреннего трения S прямо пропорциональна градиенту скорости и площади поверхностного слоя Δf, т.е.

S = η(Δv/Δx)Δf

где η - коэффициент пропорциональности, получивший название коэффициента динамической вязкости среды.

Единица динамической вязкости равна 1 Н^.с/м², или Па^.с, т.е. вязкости такой жидкости, в которой 1 м² слоя испытывает силу 1 Н при градиенте скорости 1 м^.с/м². Размерность этой единицы м^-1.кг^.с^-1. Прежняя единица измерения динамической вязкости (пуаз в системе СГС) равна 0,1 Н^.с/м².

Между перемещающимися частицами и слоями реальных газов или жидкостей всегда возникает сила трения. Величина касательного напряжения, обусловленная трением частиц друг о друга или об ограничивающие поверхности, по закону Ньютона пропорциональна градиенту скорости в направлении нормали к плоскости, ориентированной по течению:

S/f = - η^.dw/dn

где S/f - сила, отнесенная к единице площади, Н/м² (или Па); w - скорость потока, м/с.

Введено также понятие коэффициента кинематической вязкости

ν = η/ρ

где ρ - плотность жидкости.

Значение коэффициента динамической вязкости газов, как и значение коэффициента теплопроводности, уменьшается с увеличением молекулярной массы газов и газовых смесей и возрастает с температурой системы. Вязкость жидкости с повышением температуры снижается. У газов при их нагревании она возрастает, что указывает на различную природу внутреннего трения в газах и жидкостях. Главной причиной вязкости жидкости являются силы взаимного притяжения молекул. Так как при нагревании она расширяется, то силы взаимного притяжения молекул в ней уменьшаются, поэтому вязкость снижается.

Диффузия - процесс самопроизвольного перемещения вещества в пространстве, ведущий к равномерному заполнению всего имеющегося объема молекулами данного вещества и выравниванию его концентраций. Диффузия может осуществляться только тогда, когда в различных точках пространства концентрация вещества неодинакова. Движущей силой диффузии является градиент концентраций, т.е. их изменение в соседних участках фазы.