Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 16. ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА. ВЯЗКОСТЬ ГАЗОВПредставление о среднем свободном пробеге молекул играет большую роль при молекулярно-кинетическом объяснении механизма многих физических явлений. Особенно важно это физическое понятие для раскрытия сущности таких явлений, как внутреннее трение, или вязкость, теплопроводность и диффузия газов. Как будет показано ниже, все эти три явления связаны с процессами переноса. В случае вязкости — с переносом количества движения, в случае теплопроводности — кинетической энергии, в случае диффузии — массы молекул, обладающих тем или иным физическим или химическим качеством. В силу общности молекулярного механизма этих явлений их объединяют в одну группу, называя явлениями переноса.
Рис. 22. Рассмотрим молекулярный механизм вязкости газов. Предположим, что в газе (рис. 22) параллельно неподвижной пластинке
в котором градиент скорости — соответствует изменению скорости Для выяснения механизма возникновения вязкости выделим в газе мысленно площадку в В результате беспорядочного теплового движения молекул через выделенную площадку за 1 секунду будет проходить в направлении сверху вниз некоторое количество молекул Поскольку плотность газа остается неизменной, то очевидно, что этот переход компенсируется встречным переходом такого же количества молекул газа снизу вверх. В то же время молекулы, проходящие через площадку в направлении сверху вниз, движутся упорядоченно слева направо со скоростью Если обозначить массу молекулы Таким образом, в выделенной площадке за одну секунду будет происходить изменение количества движения, равное разности
Изменение количества движения за 1 секунду численно равно действующей силе. В данном случае это будет сила вязкости. Таким образом, сила вязкости возникает как следствие перехода молекул при их беспорядочном тепловом движении из слоев газа, движущихся медленно, в слои газа, движущиеся быстро. Для уяснения механизма этого явления можно представить себе два расположенных рядом, нагруженных зерном транспортера, движущихся в одну сторону с различными скоростями, снабженных специальным механизмом, перебрасывающим непрерывно какое-то количество зерна с быстрого транспортера на медленный и равное ему количество зерна во встречном направлении. Первый поток зерна, ударяясь о медленный транспортер и отдавая принесенное избыточное количество движения, увеличивает скорость движения медленного транспортера, в то время как встречный поток тормозит движение быстрого транспортера. Результат подобного переноса будет таким же, как если бы между транспортерами существовало трение, обусловленное механическим зацеплением неровностей на трущихся поверхностях. Для теоретического вычисления коэффициента вязкости сделаем следующие предположения: 1) поскольку движение молекул хаотично и все направления движения равновероятны, будем считать, что в выбранной нами (см. рис. 23) системе прямоугольных координат одна треть молекул движется вдоль оси Сила трения, действующая на площадку
Рис. 23. Расчет коэффициента вязкости газов. Число молекул Если в каждом кубическом метре газа содержится Для определения разности скоростей упорядоченного движения молекул рассмотрения подобных треугольников
Здесь
Подставляя значения
Сравнивая полученное уравнение (63) с эмпирическим законом Ньютона (61), можно написать:
Произведение
Средний свободный пробег I обратно пропорционален давлению, а плотность газа Таблица 5, в которой приведены значения коэффициента вязкости для углекислоты Независимость коэффициента вязкости от давления является следствием особенностей механизма этого явления. Действительно, уменьшение давления газа в два раза уменьшает В результате, как это само собой очевидно, изменение количества движения оказывается независящим от давления. Вторая особенность вязкости газов, также объясняемая молекулярно-кинетической теорией этого явления, заключается в увеличении вязкости с ростом температуры, в том случае, если нагревание производить при постоянной плотности. Таблица 5 (см. скан) Вязкость углекислоты при разных давлениях Таблица 6 (см. скан) Зависимость вязкости воздуха от температуры При неизменной плотности изменение температуры не влияет на средний свободный пробег, так что изменение коэффициента вязкости обусловлено только изменением средней скорости молекулярного движения, возрастающей с ростом температуры. Это на первый взгляд неожиданное заключение хорошо согласуется с опытом, в чем убеждают данные, приведенные в таблице 6.
|
1 |
Оглавление
|