Явище теплопровідності і в’язкості

Явище теплопровідності речовини визначає багато дуже важливі технічні процеси і широко застосовується в різноманітних розрахунках. Емпіричне рівняння теплопровідності було отримано французьким ученим Фур'є: кількість тепла DQ. проходить за час Dt через площадку S. перпендикулярну до напрямку перенесення тепла, так само

DQ = -c # 8729; (dT / dz) S # 8729; Dt. (9.31)

де dT / dz - градієнт температури, dT - зміна температури на відстані dz вздовж напрямку потоку тепла, c - коефіцієнт теплопровідності речовини. Градієнт температури показує швидкість зміни температури вздовж потоку тепла. Якщо чисельно покласти (dT / dz) = - 1, S = 1, Dt = = 1, тосогласно (9.31) отримаємо DQ = c. Звідси випливає фізичний зміст коефіцієнта c. коефіцієнт теплопровідності чисельно дорівнює кількості тепла, що проходить за одиницю часу через одиничну площадку, розташовану перпендикулярно до потоку тепла, при градієнті температури, що дорівнює одиниці.

Ми розглянули два явища переносу: дифузію і теплопровідність. У явищі дифузії спостерігається перенесення молекул з одного місця простору в інше, викликаний тепловим рухом. У явищі теплопровідності тепловий рух молекул переносить молекули з більшою кінетичної енергією в місця з меншою енергією молекул. За рахунок цього відбувається потік тепла.

Існує ще одне явище переносу, зване явищем в'язкості і пов'язане з перенесенням імпульсу, яким володіє шар частинок. Це явище було детально розглянуто в підрозд. 5.3. Для газів в'язкість пояснюється тим, що при тепловому русі молекули, перелітаючи з шару в шар, переносять імпульс шару. Потрапляючи в шар, який рухається з більшою швидкістю з більш повільного шару, молекули уповільнюють його рух, і навпаки, потрапляючи в шар, який рухається з меншою швидкістю з шару з більш високою швидкістю, молекули прискорюють його рух. Виникає вирівнювання швидкостей шарів і, отже, сила в'язкості. Рівняння в'язкості визначається співвідношенням (5.8). Це рівняння і рівняння теплопровідності (9.31) можна отримати, виходячи з молекулярно-кінетичних уявлень. При цьому, як і для явища дифузії, стосовно газам виходять такі теоретичні вирази для коефіцієнтів в'язкості і теплопровідності:

де r - щільність газу; cv - питома теплоємність газу при постійному обсязі (буде розглянута в підрозділі 10.4). Твір rl не залежить від тиску. Отже, з формул (9.32) випливає, що коефіцієнти h і c не залежить від тиску, що підтверджується досвідом.

Однак в області вакууму розглянутий механізм явища не застосуємо і c

p. зі зменшенням тиску коефіцієнт теплопровідності зменшується. У термосах і судинах Дьюара роблять подвійні дзеркальні стінки і з простору між ними відкачують повітря до глибокого вакууму. При цьому розріджене повітря стає хорошим теплоізолятором.

Термодинаміка вивчає фізичні явища з точки зору тих перетворень енергії, якими ці явища супроводжуються. Спочатку термодинаміка виникла як наука про взаємне перетворення теплоти в роботу. Однак закони, що лежать в основі термодинаміки, мають настільки загальний характер, що з великим успіхом застосовуються для дослідження різних фізичних і хімічних процесів. Термодинаміка не розповідає в розгляд мікроскопічної картини явищ. Вона розглядає явища, спираючись на основні закони, які є узагальненням величезної кількості досвідчених даних.

Основу термодинаміки утворюють її початку. Перший закон встановлює кількісні співвідношення, що мають місце при перетвореннях енергії з одних видів в інші. Другий закон визначає умови, при яких можливі ці перетворення, тобто визначає можливі напрямки процесів.