Явления переноса в термодинамически неравновесных системах

В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы и импульса.

Теплопроводность обусловлена переносом энергии.

Диффузия обусловлена переносом массы.

Внутреннее трение обусловлено переносом импульса.

Теплопроводность. Если в одной области газа температура (средняя кинетическая энергия молекул) выше, чем в другой, то вследствие постоянного столкновения молекул происходит выравнивание температур.

Перенос энергии в форме теплоты подчиняется закону Фурье: , где

- плотность теплового потока – величина, определяемая энергией, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси Х;

l - теплопроводность;

- градиент температуры.

Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносится в направлении убывания температуры.

, где:

– удельная теплоемкость газа при постоянном объеме;

áJñ - средняя скорость теплового движения молекул;

- средняя длина свободного пробега.

Диффузия – это выравнивание концентрации молекул двух соприкасающихся тел за счет взаимного проникновения и перемешивания частиц. Для химически однородного газа явление диффузии подчиняется закону Фика: , где:

– плотность потока массы – масса вещества, диффундирующая в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси Х;

– диффузия (коэффициент диффузии);

- градиент плотности.

Знак минус показывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности.

Согласно кинетической теории: .

Внутреннее трение (вязкость) возникает между параллельными слоями газа (жидкости), движущимися с различными скоростями и заключается в том, что из-за хаотического движения происходит обмен молекулами между слоями. В результате импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, а движущегося медленнее – увеличивается.

Сила внутреннего трения подчиняется закону Ньютона: , где:

- динамическая вязкость (вязкость);

- градиент скорости по направлению х, перпендикулярному направлению движения слоев;

S – площадь, на которую действует сила F.

- импульс, переносимый в единицу времени вдоль оси х через единичную площадку, перпендикулярную оси x (плотность потока импульса).

. Было установлено, что и = 1,

где: - динамическая вязкость; – коэффициент диффузии;

- теплопроводность.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о теплопроводности, как о явлении переноса энергии.

2. Расскажите о диффузии, как о явлении переноса массы.

3. Расскажите о внутреннем трении, как о явлении переноса импульса.

Выберите правильный ответ на поставленные вопросы:

Площадь какой из отмеченных фигур соответствует работе, совершаемой идеальным газом в процессе 1 – 2?	Для работы тепловой машины принципиально необходимы…
1. А 2. В 3. С 4. D 5. Е	…Рабочее тело, нагреватель, камера внутреннего сгорания. …холодильник, нагреватель, рабочее тело. … холодильник, нагреватель, змеевик. … холодильник, рабочее тело, катушка зажигания. … рабочее тело, холодильник, камера внешнего сгорания.
Как соотносятся показатели адиабаты  для трех газов: СН4 - показатель адиабаты 1, N2 - показатель адиабаты 2 и Не - показатель адиабаты 3.	Что такое круговой процесс?
1. 1  2  3 2. 3  2  1 3. 2  1  3 4. 1  3  2 5. 2  3  1	Процесс, в результате которого система после ряда изменений возвращается в исходное состояние. Процесс, в результате которого рабочее тело может совершать только положительную работу. Процесс, в результате которого рабочее тело может совершать только отрицательную работу. Процесс, который в координатах Р от V всегда имеет форму окружности. Процесс, всегда проходящий через те же состояния, через которые проходит прямой процесс, но в обратной последовательности.
На диаграмме представлен процесс 1 – 2, происходящий с идеальным газом. Выберите верное утверждение относительно данного процесса.	Циклический процесс состоит из изотермы, изобары и изохоры. Определите направление теплопередачи в каждом из процессов (Q0 – теплота поступает в систему, Q0 – теплота передается окружающей среде).
1. Внутренняя энергия газа увеличилась. 2. Плотность газа увеличилась. 3. Сжатие газа происходит адиабатически. 4. Работа газа положительна. 5. Газ получил теплоту от окружающей среды	Q12 = 0, Q230, Q310 Q12  0, Q230, Q31=0 Q12  0, Q23= 0, Q310 Q12  0, Q230, Q310 Q12  0, Q230, Q310
Максимальный коэффициент полезного действия  тепловой машины равен (Т1, Т2-абсолютные температуры нагревателя и холодильника)…	Тепловая машина работает по циклу Карно RLMN. Выберите участки цикла, на которых происходит отдача или получение тепла.
 = Т2 /Т1  = Т1/ (Т2 + Т1)  = Т2/ (Т1 + Т2)  = (Т1 + Т2)/ Т1  = (Т1 - Т2)/ Т1	1. NK – получение тепла, LM – отдача тепла. 2. LM – получение тепла, NK – отдача тепла. 3. KL – получение тепла, MN – отдача тепла. 4. MN – получение тепла, KL – отдача тепла. 5. KL – получение тепла.
Чему равна теплоемкость одного моля идеального газа при изобарном процессе (i – число степеней свободы молекулы)?	Метан СН4 находится при комнатной температуре. Каковы его молярные теплоемкости в (а) изохорном и (б) изобарном процессах?
1. . 2. 3. . 4.  5. 0	а) 7k/2, б) 9k/2 а) 5R/2, б) 7R/2 а) 3R/2, б) 5R/2 а) 3R, б) 4R а) 5k/2, б) 7k/2
Второе начало термодинамики утверждает, что при любых процессах…	Почему для идеального газа молярная теплоемкость при постоянном давлении больше молярной теплоемкости при постоянном объеме ?
…протекающих в системе, ее энтропия только возрастает. …протекающих в замкнутой системе, ее энтропия не меняется. …протекающих в замкнутой системе, ее энтропия только убывает. …протекающих в замкнутой системе, ее энтропия не убывает. …протекающих в системе, ее энтропия только убывает.	В изобарном процессе совершается работа. Теплота в обоих процессах поглощается одинаково. В изохорном процессе теплоемкость равна нулю. Рост внутренней энергии газа больше в изобарном процессе. Потребление теплоты больше в изобарном процессе.
Второе начало термодинамики утверждает, что невозможны процессы…	Какие утверждения относительно явлений переноса являются справедливыми.
…в результате которых теплота переходит от менее нагретого к более нагретому телу. …единственным результатом которых было бы отнятие некоторой теплоты от тела. … результатом которых было бы отнятие некоторой теплоты от тела. …единственным результатом которых был бы переход теплоты от более нагретого к менее нагретому телу. …единственным результатом которых было бы отнятие некоторой теплоты от тела и превращение этой теплоты в работу.	Вязкость связана с переносом массы, диффузия – с переносом энергии, теплопроводность – с переносом импульса. Вязкость - связана с переносом энергии, диффузия – с переносом массы, теплопроводность – с переносом импульса. Вязкость - связана с переносом импульса, диффузия – с переносом массы, теплопроводность – с переносом энергии. Вязкость - связана с переносом энергии, диффузия – с переносом импульса, теплопроводность – с переносом массы. Вязкость - связана с переносом импульса, диффузия – с переносом энергии теплопроводность – с переносом массы.