45999

Эффективный диаметр молекул

Лекция

Физика

Молекулы газов – это, как правило, нейтральные частицы. Но в своем составе они содержат атомы, в которых есть и положительные и отрицательные заряды. Поэтому при приближении двух молекул друг к другу начинает все больше сказываться электростатическое отталкивание.

Русский

2014-10-12

266 KB

6 чел.

ЛЕКЦИЯ  № 13

11. Эффективный диаметр молекул.

Средняя длина свободного пробега молекул

Молекулы газов – это, как правило, нейтральные частицы. Но в своем составе они содержат атомы, в которых есть и положительные и отрицательные заряды. Поэтому при приближении двух молекул друг к другу начинает все больше сказываться электростатическое отталкивание.

При абсолютно упругом столкновении молекул изменяются их импульсы, но при этом не происходит удара подобно столкновению бильярдных шаров. Молекулы имеют как бы больший размер…

Кратчайшее расстояние между центрами столкновения молекул называется эффективным диаметром молекул.

Площадь эффективного сечения рассеяния молекул

.        (13-1)

При броуновском движении каждая молекула проходит между столкновениями разные расстояния.

Средняя длина свободного пробега молекул – это среднее расстояние между двумя последовательными столкновениями молекул.  м.

    Количество столкновений

         

где N – количество молекул, попадающих в объем V ломаного цилиндра (рис.);

  средняя относительная скорость теплового движения (скорость одной молекулы по отношению к другой).

Воспользовавшись теоремой сложения скоростей в классической механике, получим:

Усредняя по времени

 

Частота столкновений молекул

       (13-2)

Тогда средняя длина свободного пробега молекул

      (13-3)

При Н.У. идеальный газ      м,  кг,  м3.

Получим:

м/с.

с1.    м,

при  мм рт.ст.  несколько см.

при  мм рт.ст.  несколько м.

при n = const  , .

12. Явления переноса

Если в системе частиц оказывается неравновесное состояние ( в разных участках системы разное давление, разная температура и т. п.), то тут же возникнут процессы переноса (диффузия, теплопроводность, внутреннее трение, электропроводность), в результате которых неравновесное состояние будет стремиться к равновесию.

Рассмотрим каждое из этих явлений.

1) диффузия – это процесс переноса молекулами массы вещества из области с высокой плотностью (высокой концентрацией) в область с низкой плотностью (низкой концентрацией).

Экспериментальный закон Фика для диффузии имеет вид:

,       (13-4)

где  – масса вещества, переносимого за время  через площадку площадью , расположенную перпендикулярно направлению переноса;

  градиент плотности вещества изменение плотности на отрезке длины;

  коэффициент диффузии.

Знак «» в законе Фика указывает на то, что процесс переноса массы вещества осуществляется в сторону, противоположную градиенту плотности.

Из (13-4) можно установить физический смысл D:

 .

Если  т. е. коэффициент диффузии численно равен массе переносимого вещества за единицу времени через площадку единичной площади, расположенную перпендикулярно направлению переноса, при градиенте плотности, равном единице.

2) теплопроводность – это процесс переноса молекулами вещества тепловой энергии из области с высокой температурой в область с низкой температурой.

Экспериментальный закон Фурье для теплопроводности имеет вид:

,       (13-5)

где  – количество тепловой энергии, переносимой за время  через площадку площадью , расположенную перпендикулярно направлению переноса;

  градиент температуры изменение температуры на отрезке длины;

  коэффициент теплопроводности.

Знак «» в законе Фурье указывает на то, что процесс переноса тепловой энергии осуществляется в сторону, противоположную градиенту температуры.

Из (13-5) можно установить физический смысл :

 

Если  т. е. коэффициент теплопровод-ности численно равен количеству тепловой энергии, переносимой молекулами за единицу времени через площадку единичной площади, расположенную перпендикулярно направлению переноса, при градиенте температуры, равном единице.

3) внутреннее трение (вязкость) – это процесс переноса молекулами вещества скорости направленного движения в потоке газа или жидкости из слоя с высокой скоростью в слой с низкой скоростью.

Экспериментальный закон Ньютона для внутреннего трения имеет вид:

,       (13-6)

или в форме, привычной для Ньютона,

,       (13-6а)

где  – сила внутреннего трения, возникающая в потоке газа или жидкости между отдельными слоями потока, движущимися с разными скоростями;

  градиент скорости изменение скорости на отрезке длины;

  коэффициент внутреннего трения (вязкости).

Знак «» в законе Ньютона указывает на то, что процесс переноса скорости направленного движения в слоях осуществляется в сторону, противоположную градиенту скорости.

Из (13-6), (13-6а) можно установить физический смысл :

 

Если  т. е. коэффициент внутреннего трения численно равен силе внутреннего трения, возникающей в направленном потоке газа или жидкости между соседними слоями единичной площади при градиенте скорости направленного движения, равном единице.

4) электропроводность – это процесс переноса заряженными частицами электрического заряда в электрическом поле из области с высоким потенциалом в области с низким потенциалом.

Экспериментальный закон Ома для электропроводности имеет вид:

,       (13-7)

или в дифференциальной форме

,       (13-7а)

где  – плотность электрического тока;

  удельная проводимость среды;

  удельное электрическое сопротивление среды;

  напряженность электрического поля; 

градиент потенциала изменение потенциала на отрезке длины.

 .


13. Молекулярно-кинетическое толкование

явлений переноса (на примере диффузии)

На рис. представлена зависимость концентрации молекул от расстояния.

  средняя длина свободного пробега молекул.

Для х = 0  n = n0

В среднем  часть всех молекул движется в положительном направлении оси Ох и  часть в отрицательном.

На расстоянии  столкновений не происходит, но за счет градиента концентрация меняется, тогда

Учитывая, что , запишем:

Тогда

Сравнивая полученный результат с (13-4), получим:

          (13-8)

значит, чем плотнее газ, тем медленнее идет диффузия;

значит, чем тяжелее молекулы газа, тем медленнее идет диффузия;

значит, чем выше температура, тем быстрее идет диффузия.

Рассуждая аналогично, можно получить выражения для коэффициента теплопроводности

                  (13-9)

и коэффициента внутреннего трения (вязкости)

.              (13-10)

Демонстрации:

1. Смешивание спирта с водой № 16;

2. Диффузия газов через пористую перегородку № 17;

3. Диффузия газов 2 (прибор Анселя) № 18;

4. Зависимость теплопроводности газа от его молярной массы № 19;

5. Внутреннее трение в газах № 20.

PAGE   \* MERGEFORMAT2


dэфф

x

n

EMBED Equation.DSMT4       + EMBED Equation.DSMT4  

dS

0


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36866. ПОДГОТОВКА ДОКУМЕНТА MS EXCEL К ПЕЧАТИ 64.5 KB
  ПОДГОТОВКА ДОКУМЕНТА MS EXCEL К ПЕЧАТИ Цель работы: рассмотреть этапы подготовки документов MS Excel к печати. Вопросы компетенции навыки для освоения: Изучить элементы интерфейса MS Excel служащие для подготовки документа к печати. Освоить технологии и рассмотреть этапы подготовки документов MS Excel к печати. Подготовить к печати документ большого объема.
36867. Построение поверхностей заданных параметрически с помощью функций param3d и param3d1 752 KB
  Затем обратимся к функции prm3d передав ей математические выражения функций y y1 и y2 а также углы в градусах под которыми наблюдатель будет видеть формируемый график 45 и 35 Листинг 6. Построение линии заданной параметрически с помощью функции prm3d t=[0:0. Построение линии заданной параметрически с помощью функции prm3d t=50pi:0. Для построения графиков линий в одной системе координат обратимся к функции prm3d1.
36868. ОСНОВНЫЕ ВСТРОЕННЫЕ ФУНКЦИИ MS EXCEL 284 KB
  Имя функции описывает операцию которая эта функция выполняет. 1 или нажатием кнопки Вставить функция в строке Формул. В этом окне сначала следует выбрать категорию функции из списка Категория а затем в открывшемся алфавитном списке Функция указать нужную функцию. Математические функции Функция СУММ Функция СУММ суммирует множества чисел.
36869. Решение нелинейных уравнений и систем 120.5 KB
  Всякое алгебраическое уравнение относительно x можно записать в виде 0xn1xn−1 n−1xn = 0 где 0 0 n 1 и i коэффициенты алгебраического уравнения nй степени. Решение алгебраического уравнения в Scilb состоит из двух этапов. Примеры символьных операций с полиномами p1=poly[1 2]xc p1 = 1 2x p2=poly[3 7 2]xc p2 = 2 3 7x 2x p1p2 Сложение ns = 2 2 5x 2x p1p2 Вычитание ns = 2 4 9x 2x p1p2 Умножение ns = 2 3 3 13x 16x 4x p1 p2 Деление ns = 1 3 x p1^2 Возведение в...
36870. ВВОД И РЕДАКТИРОВАНИЕ ФОРМУЛ. СТАНДАРТНЫЕ ФУНКЦИИ EXCEL 312 KB
  На первом листе повторитеОбразец 1 Образец 2 Образец 3 и Образец 4 используя команды форматирования ячеек Таблица 1 и средства автозаполнения команда меню Правка Заполнить Прогрессия. Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Таблица 1 Команда меню вкладка Опции Действие Формат Ячейкивкладка Граница области Все Отдельные и Линии Создание границ таблицы или обрамление таблицы Формат Ячейкивкладка Число список Числовые форматы Изменениечислового формата Формат Ячейкивкладка Выравнивание раскрывающиеся списки по...
36872. Исследование дешифраторов 42 KB
  Цель лабораторной работы: исследовать основные способы построения и работу дешифраторов. Задание: снять временные диаграммы определить таблицы состояний и особенности работы дешифраторов. Порядок выполнения: включить персональную ЭВМ запустить на выполнение программный пакет EWB и далее следовать порядку работы в пакете. В отчете приводится наименование и номер лабораторной работы цель работы программа работы с указанием всех необходимых экспериментов полученных результатов их объяснения и выводов.
36873. Фильтрация данных и вычисление итоговых характеристик 151 KB
  Удалите все листы кроме первого исходного листа Реки Украины. Примечание: Уровень оценки Количество листов для копирования Обязательное для выполнения задание 4 4 сортировка 1 условие 1 автофильтр 1 автофильтр 2 5 5 То же что и на 4 сортировка 2 6 7 6 То же что и на 5 сортировка и структура 7 8 7 То же что и на 7 условие 2 9 10 8 То же что и на 7 8 расширенный фильтр 11 12 9 Дополнительно 13 сводных таблицы Задания для выполнения: На листе Сортировка 1 необходимо отсортировать данные таблицы следующим образом: 1...