Явление переноса: теплопроводность ИГ

Явления переноса в газах. Общие закономерности.

Беспорядочность теплового движения молекул газа, непрерывные соударения между ними приводят к постоянному перемешиванию частиц и изменению их скоростей и энергий. Если в газе существует пространственная неоднородность плотности, температуры или скорости упорядоченного перемещения отдельных слоев газа, то движение молекул выравнивает эти неоднородности. При этом в газе появляются особые процессы, объединенные общим названием явлений переноса. К этим явлениям относятся диффузия, внутреннее трение и теплопроводность. Общим для всех явлений переноса является то, что они возникают в газах в результате нарушения полной хаотичности движения молекул. Эти нарушения вызваны направленным воздействием на газ: в случае диффузии должна быть создана неоднородность плотности, в случае теплопроводности - неоднородность температуры, в случае внутреннего трения - упорядоченность движения молекул газа со скоростями, неодинаковыми в разных его слоях.

Изучение явлений переноса представляет особый интерес в связи с тем, что эти явления позволяют опытным путем определить такие важнейшие характеристики молекул, как среднюю длину свободного пробега и эффективный диаметр.

 

Теплопроводность имеет место тогда, когда в газе существует разность температур, вызванная какими-либо внешними причинами. Молекулы газа в разных местах его объема имеют разные средние кинетические энергии. Поэтому при хаотическом тепловом движении молекул происходит направленный перенос э н е р г и и. Явление теплопроводности возникает, если различные слои газа имеют разную температуру, т. е. обладают различной внутренней энергией. Молекулы, попавшие из нагретых частей газа в более холодные, отдают избыток своей энергии окружающим частицам. Наоборот, медленно движущиеся молекулы, попадая из холодных частей в более горячие, увеличивают свою энергию за счет соударений с молекулами, обладающими большими скоростями.

Процесс передачи внутренней энергии в форме теплоты происходит так, что количество теплоты dQ, переносимое за единицу времени через единичную площадку, прямо пропорционально скорости изменения температуры на единицу длины X в направлении нормали n к этой площадке:

(10.7)

Формула (10.7) была установлена Ж. Фурье и называется законом теплопроводности Фурье. Здесь K - коэффициент теплопроводности, а знак минус показывает, что энергия переносится в сторону убывания температуры.

Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты переносится через единицу площади за единицу времени при градиенте температуры, равном единице.

В Международной системе единиц СИ коэффициент теплопроводности измеряется в Дж/(м×с×К), а в системе СГС — в эрг/(см×с×град).

Вывод величин коэффициентов D, h и К, связь их друг с другом и зависимость от параметров газа.