Явления переноса в газах: диффузия, вязкость, теплопроводность.

Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В газах диффузия происходит быстрее, чем в жидкостях и твердых телах.

Явление диффузии подчиняется закону Фика:
, где
— плотность потока массы, равная массе вещества, которое диффундирует за единицу времени через единицу площади в направлении оси ,
— плотность вещества.

Другая форма закона Фика:
, где
— плотность потока молекул, равная числу молекул, которые диффундируют за единицу времени через единицу площади в направлении оси ,
— концентрация молекул.

— коэффициент диффузии.
Выражение для коэффициента диффузии, когда молекулы обеих компонент смеси одинаковы по массе и эффективному диаметру, полученное на основе молекулярно-кинетических представлений:
, где
— средняя арифметическая скорость молекул,
— средняя длина свободного пробега молекул.

Вязкость (явление внутреннего трения) – одно из явлений переноса, свойство текущих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Явление внутреннего трения связано с возникновением сил трения между слоями газа, перемещающимися параллельно друг другу с различными по величине скоростями. Со стороны слоя, движущегося быстрее, на более медленно движущийся, действует ускоряющая сила. Наоборот, медленно перемещающийся слой тормозит более быстро движущиеся слои газа. Вязкость газов увеличивается с увеличением температуры.

, где

— динамическая вязкость,
— плотность газа,
— средняя арифметическая скорость молекул,
— средняя длина свободного пробега молекул.

Теплопроводность. Если температура газа в разных местах различна, то и средняя энергия молекул в этих местах также будет различна. Перемещаясь вследствие теплового движения из одних мест в другие, молекулы переносят запасенную ими энергию. Этот перенос энергии и обуславливает процесс теплопроводности в газах. Теплопроводность газов характеризуется коэффициентом теплопроводности ϰ.

ϰ = ‹ϑ›λρC_V,

где ‹ϑ› - средняя скорость молекул,

λ – средняя длина свободного пробега молекул,

ρ – плотность газа,

C_V– удельная теплоемкость газа при постоянном объеме.

Кинетическая теория газов объясняет неравновесные свойства газов (явления переноса энергии, массы, импульса) на основе законов движения и взаимодействия молекул. Кинетическая теория газов была первым сформировавшимся разделом молекулярной физики, и основана на предположении, что молекулы в газах находятся на расстояниях, значительно превышающих их размер. Тепловое движение молекул газов является равномерным и прямолинейным на длине свободного пробега, в несколько раз превышающей расстояние между молекулами и размер самих молекул. Молекулы в газах движутся почти свободно в промежутках между столкновениями, приводящими к резкому изменению их скоростей.Кинетическая теория позволила хорошо объяснить явления вязкости, диффузии и теплопроводности газов, рассматривая наблюдаемые макроскопические эффекты (давление, диффузия, теплопроводность и т. д.) как средний результат действия всех молекул исследуемого газа.

Большую роль в кинетической теории газов играет длина свободного пробега молекул — расстояние, которое прошла бы молекула за среднее время между столкновениями, двигаясь со средней скоростью. Это понятие заложено в элементарную теорию явлений переноса. Рассматривая перенос импульса, энергии, массы компонентов через единичную площадку в газе можно соответственно получить значения коэффициента вязкости, теплопроводности и взаимной диффузии.