Главная | Обратная связь

Диффузия и теплопроводность. Коэффициенты диффузии и теплопроводности

Диффузия - 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.

Согласно закону, экспериментально установленному Фиком, количество вещества dM, перенесенного через площадку dS, за время dt (первый закон Фика) равно

, (16.15)

где D - коэффициент диффузии. Коэффициент диффузии - физическая величина, числено равная массе переносимого вещества через единичную площадку в единицу времени при градиенте концентрации, равном единице;

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

"минус" - показывает, что масса переносится в направлении убывания концентрации данной компоненты.

Пользуясь молекулярно-кинетическими представлениями можно получить

. (16.16)

Сравнив (16.15) и (16.16), для коэффициента диффузии, будем иметь

. (16.17)

Анализ соотношения (16.17) показывает:

1) так как при постоянной плотности газа <v> ~ T^1/2, то и D ~ T^1/2;

2) при T = const <l> ~ 1/p, следовательно, и D ~ 1/p.

Процесс переноса энергии между контактирующими телами или двумя поверхностями одного и того же тела, возникающий из-за разности температур называется теплопроводностью.

Одной из характеристик теплопроводности является тепловой поток. Тепловой поток - физическая величина, которая показывает, какое количество тепла, переносится в единицу времени через площадь dS при градиенте температуры dT/dz

. (16.18)

Экспериментально Фурье установил закон теплопроводности, согласно которому количество тепла dQ, перенесенное через площадку dS за время dt, равно

, (16.19)

где æ - коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности - физическая величина, которая показывает, какое количество тепла, переносится через единичную площадку, в единицу времени при градиенте температур равном единице;

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

Количество тепла перенесенного через ту же площадку dS за время dt, полученное из молекулярно-кинетических представлений, определяется соотношением

. (16.20)

Сравнение выше записанных выражений (16.19 и 16.20) позволяет установить формулу для коэффициента теплопроводности

или . (16.21)

Из формулы (16.21) видно, что коэффициент теплопроводности не зависит от давления.

Между коэффициентами теплопроводности, диффузии и вязкости существует связь

; h = Dr; . (16.22)

Из выше рассмотренных положений, характерных для явлений переноса, видно, что все три коэффициента h, æ, D зависят от <l>. Определив какой-либо из коэффициентов можно вычислить <l>, а зная <l> - диаметр молекулы газа. Определенные таким методом значения диаметров молекул газа называют газокинетическими.

Надо еще раз отметить, что механизмы всех рассмотренных кинетических явлений характерны для газов, жидкостей и твердых тел.

Полученные результаты рассмотренных явлений переноса представлены в табл. 16.1.