Прямая доставка чая из Китая

Гуманитарные науки

Гуманитарные науки

Студенческий файлообменник

Студенческий файлообменник

Выполнение 
работ на заказ. Контрольные, курсовые и дипломные работы

Выполнение работ на заказ. Контрольные, курсовые и дипломные работы

Занимайтесь онлайн 
        с опытными репетиторами

Занимайтесь онлайн
с опытными репетиторами

Приглашаем к сотрудничеству преподователей

Приглашаем к сотрудничеству преподователей

Готовые шпаргалки, шпоры

Готовые шпаргалки, шпоры

Отчет по практике

Отчет по практике

Приглашаем авторов для работы

Авторам заработок

Решение задач по математике

Закажите реферат

Закажите реферат

Кинематика Механические передачи Молекулярная физика и термодинамика Ядерная физика

Лабораторная работа по физике. Практические занятия

Явления переноса

До сих пор мы рассматривали исключительно равновесные системы, характеризующиеся при постоянных внешних условиях неизменностью параметров (Р, V, T, ) во времени и отсутствием в системе потоков вещества, энергии, импульса.

Однако, беспорядочность теплового движения молекул газа, непрерывные столкновения между ними приводят к постоянному перемешиванию частиц и изменению их скоростей и энергий. Если в газе существует пространственная неоднородность плотности, температуры, скорости упорядоченного перемещения отдельных слоев, то происходит самопроизвольное выравнивание этих неоднородностей. В газе возникают потоки вещества, энергии, импульса упорядоченного движения молекул.

 Эти потоки, характерные для неравновесных состояний газа, являются физической основой особых процессов, объединенных общим названием ”явления переноса ”. К этим явлениям относятся диффузия, теплопроводность и внутреннее трение. Для простоты ограничимся одномерными явлениями переноса. Систему отсчета выберем так, чтобы ось х была ориентирована в направлении переноса

3.1 Диффузия

Это перенос массы из мест с большей плотностью r к местам с меньшей плотностью.

Фик (1855 г) установил, что перенесенная масса dm через расположенную перпендикулярно направлению переноса вещества площадку dS^ за время dt

 dm= - D(dr/dx) dS^ dt, (1)

где dr/dx характеризует скорость изменения плотности r на единицу длины x, 

 D – коэффициент диффузии. 

Можно показать, что для газов . (2)

Знак минус в (1) указывает, что перенос массы при диффузии происходит в направлении убывании плотности, т. е. вдоль оси ох, если r2>r1  (dr/dx<0).

Теплопроводность

Это перенос теплоты (внутренней энергии) от более нагретых мест к менее нагретым.  Фурье (1822 г.) установил, что количество теплоты , которое переносится вследствие теплопроводности через площадку dS^ за время

dQ= -c(dT/dx) dS^ dt, (3)

где   характеризует скорость изменения температуры Т на единицу длинны х, (греч. хи) – коэффициент теплопроводности. Можно показать, что для газов

 (4) 

  где сV - удельная теплоемкость при постоянном объеме газа.

Знак минус в (3) указывает, что при теплопроводности перенос внутренней энергии происходит в направлении убывания температуры, т. е. вдоль оси ОХ, если   .

Внутреннее трение (вязкость)

Оно возникает между слоями жидкости или газа, движущимися упорядоченно с различными скоростями u. Из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями, в результате чего импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, а движущегося медленнее – увеличивается, что приводит к торможению слоя, движущегося быстрее и ускорению слоя, движущегося медленнее.

  Согласно закону Ньютона (1687 г) сила внутреннего трения между слоями газа (жидкости)  , (5)

где (du/dx) характеризует быстроту изменения скорости u на единицу длины x , S – площадь, на которую действует сила (площадка S перпендикулярна х),  – коэффициент внутреннего трения (динамическая вязкость) 

Можно показать, что  (6) 

Знак минус в (5) указывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости слоев u.

Анализ формул (2), (4), (6) показывает, что

 <l>/(hcV)=1.  (7) 

Используя эти формулы, можно по найденным из опыта одним величинам, определить другие.

 

 В широко распространенной стоградусной шкале температур (введенной в 1742 году шведским астрономом Цельсием) точка замерзания воды при нормальном давлении принимается за 0 градусов, а точка кипения – за 100оС. Перейти от шкалы Цельсия к шкале Кельвина можно, заметив, что при охлаждении некоторого количества достаточно разреженного газа (например, при нормальном давлении) его объем уменьшается согласно закону Гей-Люссака по формуле V = Vo(1 + t.t). Здесь t – температура по шкале Цельсия, а t термический коэффициент объемного расширения, одинаковый для всех достаточно разреженных газов и равный (при нормальных условиях) 1/273 обратных градусов. Если считать, что этот закон будет выполняться при неограниченном понижении температуры, то объем газа должен стать равным нулю при температуре минус 273оС. Эта точка будет минимальной температурой, абсолютным нулем. Английский физик Кельвин предложил шкалу температур, ведущую отсчет от абсолютного нуля. В этой шкале одна опорная точка (а не две, как в шкале Цельсия) – тройная точка для воды – температура, при которой вода, лед и водяные пары находятся в состоянии равновесия. Эта температура принята равной 273,16оК (чтобы сохранить равной нулю по Цельсию точку замерзания воды при нормальном давлении и размер одного градуса).

Введение абсолютной шкалы температур на основании закона Гей-Люссака может показаться недостаточно обоснованным, так как ограниченность действия этого закона очевидна. Однако лежащая в основе этого закона модель идеального газа (молекулы которого имеют пренебрежимо малые размеры и взаимодействуют только при соприкосновениях, но не на расстояниях) является настолько хорошим инструментом исследования тепловых явлений, что практически правильно указывает не только на само существование абсолютного нуля, но и на его расположение на шкале Цельсия. Дальнейшее развитие науки, приведя более солидное обоснование в пользу существования абсолютного нуля и более точно указав его расположение на шкале температур (уточнение составляет 0,16 градуса), тем не менее, не внесло в этот вопрос существенных поправок. Впредь мы всегда будем пользоваться температурной шкалой Кельвина, где температура по Кельвину ТоК = 273 + toC. 

Наиболее точно температура измеряется газовым (водородным) термометром по увеличению давления достаточно разреженного газа при неизменном объеме согласно закону Шарля Р = Ро(1 + t.t), где в скобках стоит та же функция, что и в законе Гей-Люссака.

Теперь, используя шкалу Кельвина, можно в компактной форме записать все три известных из школьного курса газовых закона (Бойля-Мариотта, Шарля и Гей-Люссака) в один объединенный газовый закон, выражающийся формулой Клапейрона-Менделеева (и являющийся уравнением состояния идеального газа),

 РV = мRT/M =RT, (1.2)

где м – масса газа; М – масса моля (число граммов, равное массе молекулы, выраженной в атомных единицах массы); R –универсальная газовая постоянная (произведение числа Авогадро на постоянную Больцмана), равная 8,31 Дж/мольК; Р– давление; V – объем; Т – температура; число молей.

Эта формула тем точнее отражает поведение реальных газов, чем более они разрежены. Для одного моля вещества это уравнение принимает особенно простой вид:

 PV = RT (1.2')

Следует отметить, что понять связь между теплотой и температурой было весьма непросто, так как понятие теплоты относится не к состоянию термодинамической системы, а к способу передачи энергии. Понятие количество тепла, содержащееся в системе, просто не имеет смысла, как не имеет смысла и понятие тепловой энергии. Только второе начало термодинамики связало температуру системы с поступающей в систему теплотой через изменение новой функции состояния, обнаруженной Рудольфом Клаузиусом (1854) и названной им позднее (1865) энтропией. Подобно тому, как давление и объем (аналог силы и перемещения в механике одномерного движения) являются координатами при передаче энергии механическим (силовым) способом, то есть координатами для работы, так температура и энтропия являются координатами при передаче энергии тепловым способом, то есть координатами для теплоты. Здесь еще можно сразу отметить, что элементарное количество переданной энергии равно произведению интенсивного параметра на приращение экстенсивного.


Деление кристаллов на диэлектрики, металлы и полупроводники