36511

Загальне рівняння для явищ переносу

Шпаргалка

Физика

Запишемо кількість молекул які налітають за одиницю часу на площадку із швидкостями у інтервалі і у межах полярних кутів . Тому записуючи кількість молекул ми додаємо ще два імовірнісні множники . Позначимо кількість величини що переноситься зліва направо через площадку тими молекулами які летять у межах кутів з відстані . Ця кількість буде визначатись добутком значення величини що переносить кожна молекула на кількість молекул : .

Русский

2013-09-22

184.28 KB

3 чел.

(БІЛЕТ №13)

1)  Загальне рівняння для явищ переносу.

Візьмемо ідеальний газ. У ньому проведемо вісь . Розглянемо площадку площею , перпендикулярну осі. Молекули газу рухаються хаотично, зазнають зіткнень, обмінюються імпульсом, енергією, і перетинають виділену площадку у всіх напрямках.

Давайте припустимо, що є деяка фізична величина, яка у напрямку осі змінюється як . Це може бути маса, енергія або температура, імпульс тощо. Розглянемо, як молекули газу переносять цю фізичну величину через виділену площадку .

Фізична величина, яка переноситься, має значення, якого набула у точці, з координатою місця останнього зіткнення. Це відбувається тому, що в точці останнього зіткнення молекули останній раз змінюють енергію, імпульс тощо. Приймаємо як аксіому, що за проміжок часу після зіткнення і до проходу через виділену площадку з молекулою більше нічого не відбувається.

Будемо вважати, що площадка розташована у місці з координатою . Нехай відстань до площадки від місця останнього зіткнення. Проекцію координати цієї точки позначимо . Після зіткнення молекула налітає на площадку під деяким кутом (кут відраховуємо від нормалі до площадки).

Через площадку молекула перенесе фізичну величину

.

Будемо вважати, що мала величина, і позначимо її

.

Розкладемо в ряд величину :

.

Ми використовуємо не частинну похідну, а повну, оскільки величина у нас змінюється лише в одному напрямку.

Тепер давайте згадаємо задачу про потік газових молекул на стінку і закон косинуса. Молекули звідусіль летять на площадку. Це потік ? Потік.

Запишемо кількість молекул, які налітають за одиницю часу на площадку , із швидкостями у інтервалі і у межах полярних кутів

.

Ці молекули будуть лежати між двома конусами, у заштрихованій частині. Інтегрування по азимутальному куту вже проведено.

Ми розглядатимемо простір не швидкостей, а координат, тому можна перейти до кількості молекул, що зазнали зіткнень на відстані від площадки. Така заміна цілком правомірна, оскільки всі зміни величин ми беремо за одиницю часу, отже тут відстань і швидкість абсолютно еквівалентні. Тоді

.

І останнє, що нам залишилося зробити, це використати набуті на минулій лекції знання про зіткнення. Безумовно, не всі молекули, що летять у напрямку площадки пройдуть через неї. Частина з них розсіється раніше. Ми повинні врахувати імовірність того, що частинка дійде на відстань до площадки і зазнає зіткнення у проміжку відстаней . Тому записуючи кількість молекул, ми додаємо ще два імовірнісні множники

.

Молекули у нас проходять через площадку як зліва направо, так і у протилежному напрямку. Позначимо

кількість величини , що переноситься зліва направо через площадку тими молекулами, які летять у межах кутів з відстані .

Ця кількість буде визначатись добутком значення величини, що переносить кожна молекула, на кількість молекул :

.

Скориставшись розкладом величини у ряд, перепишемо

.

Будемо шукати повне значення фізичної величини, що переноситься через площадку зліва направо. Для цього переходимо до звичної процедури інтегрування. Спочатку проінтегруємо по полярному куту

Підставивши межі інтегрування, отримаємо кількість молекул, що з усіх напрямків летять на площадку з відстані від неї

.

Далі інтегруємо по всім відстаням

Остаточно, повна кількість величини, що переноситься через площадку за одиницю часу зліва направо, становить

.

Тепер врахуємо молекули, які переносять величину справа наліво. Нехай останнє зіткнення молекули відбулось на відстані від площадки, проекція на вісь координати точки зіткнення , а перенесе молекула величину . Повністю повторивши процедуру інтегрування, отримаємо повну кількість величини, що переноситься через площадку за одиницю часу справа наліво,

.

Тоді повна кількість величини через площадку за одиницю часу визначається як різниця кількостей в обох напрямках з урахуванням знаку . І остаточно

маємо основне рівняння процесів переносу у газах.

Подивіться, що ж ми отримали. Подивіться уважно на формулу. Давайте візьмемо одиничну площу. У нас є якась кількість величини, що проходить за одинцю часу через одиницю площі поверхні. За означенням це – потік. Потік величини пропорційний градієнту цієї ж величини вздовж розглянутого напрямку.

Цей потік буде тим більший, чим більшими будуть концентрація молекул, їх швидкість та довжина вільного пробігу. А кількість величини, що перенесеться буде збільшуватись із збільшенням площі площадки.

Чому знак мінус ? Тому що напрямок градієнту (це вектор) і напрямок переносу не співпадають. Переніс іде у напрямку зменшення величини.

2) Кількісне формулювання другого начала термодинаміки. Нерівність Клаузіуса.

Давайте знову повернемось до другої теореми Карно : К.к.д. теплової машини, яка працює за необоротним циклом Карно, не може перевищувати к.к.д. машини, яка працює за оборотним циклом між тими ж нагрівачем і холодильником.

Тобто

,

де абсолютна термодинамічна температура.

Перепишемо це співвідношення у іншому вигляді

;        ,

звідки маємо

.

Відношення за Лоренцом називають зведеною теплотою (приведённая теплота).

Давайте ще раз згадаємо, що таке і . це кількість теплоти, яку отримало робоче тіло; це кількість теплоти, яку віддає робоче тіло. По аналогії з тим, як ми вводили знак роботи (додатна робота, яку виконує тіло; від’ємна робота, яку виконують над тілом), будемо вважати, що якщо тіло отримує тепло, то кількість теплоти додатна, а якщо віддає – то від’ємна. У нашому випадку , а . Тоді можна записати

,

маючи на увазі, що .

Нехай у нас є не один, а кілька циклів Карно, кожен з яких відбувається між своїми температурами нагрівача і холодильника. Тоді для всіх цих циклів можна записати очевидне співвідношення

сума зведених теплот всіх циклів є величиною не додатною. Отримана нерівність є частинним випадком нерівності Клаузіуса, загальний вигляд якої ми отримаємо трохи пізніше. Оскільки ця нерівність є наслідком другого начала термодинаміки, вона ж може розглядатись як частинний випадок кількісного формулювання другого начала термодинаміки.

Тепер подивимось, як брати таку суму. Ми вже робили аналогічну процедуру, коли доводили третю теорему Карно. Цикли у нас складаються з ізотерм і адіабат. На адіабаті кількість теплоти дорівнює нулю. Що стосується ізотерм, то внутрішні ізотерми будуть проходитись у протилежних напрямках у сусідніх циклах, що дасть однакову кількість теплоти, але з протилежними знаками. В сумі ця кількість теплоти також дорівнюватиме нулю. Отже, внесок дає лише зовнішній контур набору циклів, та й то лише ізотерми (нагадую, на адіабатах кількість тепла не змінюється).

Давайте позбудемось обмеження, що цикл обов’язково повинен бути циклом Карно. Візьмемо абсолютно довільний циклічний процес. Проведемо густу сітку адіабат та ізотерм. Вони розіб’ють цикл на сукупність циклів Карно. Якщо перейти у граничному випадку до нескінченно густої сітки, отримаємо сукупність нескінченно малих циклів Карно. Ними ми повністю відтворимо наш довільний цикл. Для них так само треба враховувати тільки зовнішній периметр, а отже сума перетвориться на інтеграл по замкнутому контуру

.

Отримана нерівність є нерівність Клаузіуса. Інтеграл зведеної теплоти у будь-якому циклічному процесі не може бути додатною величиною. Образно можна сказати, що нерівність Клаузіуса математичною мовою виражає той факт, що теплові машини, як і все у цьому світі, недосконалі.

Ця нерівність також може розглядатись як кількісне формулювання другого начала термодинаміки, хоча теж не найзагальніше. Вона стосується циклу, але не всі процеси у природі є циклічними.

Давайте знову повернемось до необоротного процесу. А також до звичних координат . Нехай у результаті необоротного процесу система перейшла із початкового стану 1 у рівноважний стан 2. Чи можна зобразити графічно необоротний процес ? Ні, зобразити можна лише процес, який відтворюється. А необоротний процес щоразу щось змінює у оточуючому середовищі. Тому необоротний процес зобразити неможливо. Ми його проведемо умовно штриховою лінією. Після закінчення необоротного процесу ми повернемо систему у вихідний стан за допомогою оборотного процесу. Він зображений суцільною лінією. Отриманий процес є необоротним, оскільки необоротною є його частина (спросить !).

Запишемо нерівність Клаузіуса для такого необоротного колового процесу :

.

Розіб’ємо коловий інтеграл на два :

.

Другий доданок виражає зміну ентропії системи при оборотному процесі, тобто

.

Тоді нерівність Клаузіуса набуває вигляду

,

або

.

Отримана нерівність є нарешті кількісним формулюванням другого начала термодинаміки. Хоча треба зазначити, що і з цим формулюванням не все гаразд. Обмеження виникає через наявність інтегралу, оскільки ми прив’язуємось до форми шляху. Остаточно, найбільш загальним є кількісне формулювання другого начала термодинаміки у диференціальній формі (оскільки ентропія є функцією стану за означенням, то беремо її повний диференціал) :

.

Зміна ентропії завжди не менша за кількість зведеної теплоти. Знак рівності відноситься  до оборотних процесів, а знак нерівності до необоротних процесів. А для циклічного (колового) процесу

,

що має прозорий зміст, оскільки ентропія є функцією стану, то коли ми повертаємось у вихідний стан, то й ентропія повертається до вихідного значення.

Об’єднавши вирази для першого і другого начал термодинаміки можемо записати нерівність

.

Цей вираз є математичним записом основного рівняння термодинаміки, яке об’єднує перше і друге начала термодинаміки.

3) Крайові кути. Змочування. Умови рівноваги на межі трьох рідин

Нехай є три рідини (або одна з них може бути газом), що не змішуються. Вони попарно межують одна з одною. Межі розділу між цими рідинами є перехідними шарами, у яких діють сили поверхневого натягу. Товщина цих шарів порядку радіуса дії молекулярних сил.

Сили поверхневого натягу намагаються скоротити площу поверхні, оскільки їх пропорційна вільна енергія, яка у стані рівноваги набуває мінімального значення, а процес йде у напрямку зменшення вільної енергії.

Нехтуючи вагою і гідростатичним тиском, запишемо умову рівноваги сил поверхневого натягу у векторному вигляді

.

Геометрично умова рівноваги означає, що із векторів поверхневого натягу можна скласти замкнутий трикутник. Тому кути і , під якими сходяться вектори, однозначно визначаються коефіцієнтами поверхневого натягу , і дають можливість визначити форму межі розподілу рідин. Якщо хоч один вектор не дорівнює сумі двох інших, трикутник не буде замкнутим, і умова рівноваги не буде виконуватись.

Запишемо проекції векторів на горизонтальну вісь

та на вертикальну вісь

.

З них маємо

;     .

З цих рівнянь кути і визначаються однозначно. З першого рівняння можна бачити, що рівновага можлива за умови для модулів векторів

,

оскільки косинуси не можуть перевищувати одиницю. За умови

не існує кутів, за якими можлива рівновага краплі. Вона просто розтечеться між поверхнями у вигляді плівки. Всі наші міркування до такого випадку не придатні. В такому випадку кажуть, що рідина 3 повністю змочується рідиною 2.

Умови рівноваги на межі рідини з іншими середовищами

Розглянемо інший випадок. Крапля рідини лежить на поверхні твердого тіла. У такому випадку ми маємо лише один кут, для визначення якого достатньо одного рівняння – рівності тангенціальних складових сил поверхневого натягу :

,

звідки

.

Отриманий таким чином кут називається крайовим кутом, оскільки це кут між дотичними до поверхонь твердого тіла і рідини у точці дотику їх меж.

Розглянемо різні співвідношення між силами поверхневого натягу на всіх межах.

1. . Тоді кут набуває значення . Крапля 2 частково змочує поверхню твердого тіла.

2. , але . Тоді кут набуває значення . Крапля 2 частково не змочує поверхню твердого тіла. Ця ситуація зображена на другому рисунку.

3. . Тут можна розглянути два підвипадки.

А. , тобто . Кут набуває значення . Крапля 2 не перебуватиме у рівновазі, а розтікатиметься по поверхні твердого тіла. Це явище повного змочування поверхні твердого тіла рідиною.

Б. , тобто . Кут набуває значення . Крапля 2 не перебуватиме у рівновазі, а стягуватиметься у точку на поверхні твердого тіла. Це явище повного незмочування поверхні твердого тіла рідиною.

Явище незмочування має цікаві особливості. Наприклад, змащені жиром голка чи лезо можуть утримуватись на поверхні води. За допомогою решета, нитки якого покриті парафіном, можна носити воду.

Крайові кути розглядають не тільки на плоскій поверхні. Вони виникають і біля стін у посудинах. Ліворуч рідина не змочує стінку посудини, а праворуч – змочує.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21801. Описание основных функций организационно-технического управления 142.5 KB
  1 Классификация процессов управления 11.2 Содержательное описание функций управления Литература 1 Анфилатов В. Управление заключается в преобразовании информации состоянии объекта управления в командную информацию.
21802. Принятие решений в условиях нестохастической неопределенности 116.5 KB
  Критерий среднего выигрыша. Данный критерий предполагает задание вероятностей состояния обстановки . Эффективность системы оценивается как среднее ожидаемое значение МОЖ оценок эффективности по всем состояниям обстановки оптимальной системе будет соответствовать эффективность Критерий Лапласа. Критерий Лапласа частный случай критерия среднего выигрыша.
21803. Модели основных функций организационно-технического управления 190 KB
  Центральными понятиями в теории принятия решений являются: универсальное множество вариантов альтернатив из которых осуществляется выбор; предъявление множество альтернатив предъявленных для выбора ; множество выбранных альтернатив в частности одна ; С принцип выбора функция выбора правило по которому осуществляется выбор наилучшей альтернативы . Функция выбора может задаваться поэлементно или в виде графика какойлибо зависимости или как целостное множество удовлетворяющее некоторым условиям. Часто в задачах принятия...
21804. Оценка сложных систем в условиях риска на основе функции полезности 105 KB
  В этом случае целесообразно использовать аксиоматический подход к оценке систем на основе теории полезности. Эффективность систем в вероятностных операциях находится через математическое ожидание функции полезности на множестве исходов . все компоненты векторного критерия на основе предпочтений ЛПР преобразуются в функции полезности компонентов и лишь затем осуществляется свертывание.
21805. Принципы и структура системного анализа 106.5 KB
  Специфической особенностью методики системного анализа является то что она должна опираться на понятие системы и использовать закономерности построения функционирования и развития систем. Общим для всех методик системного анализа является определение закона функционирования системы формирование вариантов структуры системы нескольких альтернативных алгоритмов реализующих заданный закон функционирования и выбор наилучшего варианта осуществляемого путем решения задач декомпозиции анализа исследуемой системы и синтез системы снимающей...
21806. Роль и место теории принятия решений в структуре подготовки специалиста 76 KB
  1 Роль и место теории принятия решений в структуре подготовки специалиста Общие свойства управления исследуются в кибернетике см. Проблемы управления техническими системами без участия человека в теории автоматического управления ТАУ. Особенности управления в социальноэкономических системах изучаются в рамках менеджмента управление в современных организационно технических системах предмет настоящей дисциплины в теории автоматизированных систем управления АСУ. Системный анализ наиболее конструктивное направление используемое...
21807. Основы построения автоматизированных систем управления 71.5 KB
  Рисунок 1 Блоксхема системы управления СУ Источником информации является объект управления ОУ посылающий по каналу связи информацию в своем состоянии. Управляющая система УС в зависимости от количества и содержания информации об объекте управления вырабатывает решение о воздействии на него. В реально функционирующих СУ на все элементы воздействует среда внося свои коррективы как в количество информации так и в качество. Основными группами функций являются: функции принятия решений функции преобразования содержания информации ...
21808. Концептуальные понятия теории систем и системного анализа 124.5 KB
  Основными задачами системного анализа являются: задача декомпозиции представление систем из подсистем состоящих из элементов; задача анализа определение свойств систем или окружающей среды определение закона преобразования информации описывающего поведение системы; задача синтеза по описанию закона преобразования информации построить систему.1 Понятие системы Множество элементов А системы S можно описать в виде: где i=ый элемент системы: число элементов в системе.2 Элемент системы Отсюда систему можно...
21809. Методы качественного оценивания систем 38 KB
  Качественные методы используются на начальных этапах системного анализа если реальная система не может быть описана в количественных характеристиках отсутствуют закономерности систем в виде аналитических зависимостей. Количественные методы используются на последующих этапах моделирования для количественного анализа вариантов системы. Во всех методах смысл задачи оценивания состоит в сопоставлении рассматриваемой системе альтернативе вектора из критериального пространства Km координаты точек которого рассматриваются как оценки по...