Pernešimo reiškiniai

1. Pernešimo reiškiniai Pernešimo reiškiniais vadiname nepusiausvyrose sistemose vykstančius atitinkamo fizikinio dydžio pernešimu iš vieno erdvės taško į kitą. Pernešami fizikiniai dydžiai gali būti įvairūs: masė, medžiagos kiekis, energija, judesio kiekis ar kt. Visi pernešimo reiškiniai yra nepusiausvyrieji, vadinasi negrįžtamieji. Todėl vykstant pernešimo reiškiniams sistema pereidinėja į didesnės pusiausvyros būseną, t.y. jos entropija S siekia padidėti iki maksimumo. Aprašant pernešimo reiškinius naudojami suvidurkinti makroskopiniai dydžiai – medžiagos tankis, temperatūra, komponenčių koncentracija ir t.t. Nors juos galima aprašyti ir mikroskopiškai. Bendruoju atveju šiuose reiškiniuose nagrinėjamas atitinkamo dydžio pasiskirstymas erdvėje ir to dydžio kitimas erdvėje ir laike. Tokių makroskopinių dydžių pasiskirstymą erdvėje apibūdiname jų gradientais, kuris nusako to dydžio netolygumą erdvėje.

2. Pernešimo reiškiniai Pernešimo reiškinį kiekybiškai apibūdiname pernešamojo dydžio kinetiniu srautu. Fizikinio dydžio kinetiniu srautu, praeinančiu pro bet kokį įsivaizduojamą paviršių, vadiname dydį, skaitine verte lygų pro tą paviršių perneštam per laiko vienetą fizikinio dydžio vienetui. Fizikinis dydis visuomet pernešamas priešinga jo gradientui kryptimi, todėl kinetinį srautą laikome neigiamu. Taigi visiems pernešimo reiškiniams būdinga tai, kad termodinaminėje sistemoje yra vieno ar kito fizikinio dydžio gradientas, dėl kurio susidaro tam tikro dydžio kinetinis srautas. Kinetinis srautas gali susidaryti dėl fizikinio dydžio netolygaus pasiskirstymo erdvėje (molekulių koncentracijos, temperatūros gradiento) arba dėl išorinių jėgų poveikio.

3. Pernešimo reiškiniai - difuzija Medžiagos sklidimas dėl jos dalelių chaotiškojo judėjimo vadinamas difuzija. Kai molekulės difunduoja skirtingas medžiagas, vyksta koncentracinė molekulinė difuzija.

4. Pernešimo reiškiniai - difuzija Paimkime dvikomponentį dujų ar skysčių mišinį, kuris yra tik susilietes ir kuriame vienos komponentės koncentracija n yra labai maža, lyginant su antrosios komponentės koncentracija. Pirmąją komponentę pavadinkime priedine, o antrąją – pagrindine. Tarkime priedinės komponentės koncentracija n, o kartu ir jos dalinis tankis r, didėja išilgai x ašies. Išvestinės , kurios apibūdina jų erdvinio kitimo spartą, yra šių dydžių gradientai. Tokia būsena yra nepusiausvyroji, todėl susidaro priedinės komponentės molekulių srautas, nukreiptas dalinio tankio mažėjimo kryptimi. Jis vadinamas difuziniu srautu.

5. Pernešimo reiškiniai - difuzija Per laiko tarpą dt pro įsivaizduojamo paviršiaus plotą dS ašies Ox neigiama kryptimi perneštą šios komponentės masę pažymėkime dm. Tuomet masės difuzinį srautą nusako empirinis Fiko dėsnis: masės difuzinis srautas, praeinantis pro įsivaizduojamo paviršiaus plotą dS, tiesiogiai proporcingas šio ploto ir dalinio tankio gradiento sandaugai: jei plotas 1 m2 ir srautas jame tolygus tai: Joje esantis proporcingumo koeficientas D vadinamas difuzijos koeficientu, kuris priklauso nuo medžiagos tipo, temperatūros ir agregatinės būsenos. Minuso ženklas įrašytas todėl, kad priedinės komponentės masė pernešama vektoriui grad r priešinga kryptimi. Difuzija vyksta iki tol, kol egzistuoja priedinės komponentės molekulių koncentracijos gradientas.

6. Pernešimo reiškiniai - difuzija Sparčiausiai difuzija vyksta dujose, lėčiausiai – kietuosiuose kūnuose. Ji vyksta ir gyvojoje gamtoje. Augalui reikalingos medžiagos šaknimis kyla aukštyn, o nereikalingų ar žalingų medžiagų koncentracijos šaknies paviršiuje ir jos išorėje beveik vienodos ir todėl jų difuzijos srautas per šaknies sienelę artimas nuliui. Analogiškai ištirpusios maisto medžiagos per žarnų sieneles difunduoja į kraują. Difuzijos būdu atskiriami skirtingų medžiagų atomai. Šio proceso metu sudaromas temperatūros gradientas, kurio metu sunkesni atomai difunduoja mažesnės temperatūros link – vadinama termodifuzija. Difuziniais procesais gerinamos metalų ir jų lydinių mechaninės ir cheminės savybės. Difuzijos gali ne tik neutralios medžiagos dalelės, bet ir krūvininkai. Pavyzdžiui, priemaišiniu puslaidininkių pn sandūros skirtingose pusėse yra skirtinga, laisvųjų elektronų difuzinis srautas link p tipo puslaidininkio, o skylių – priešinga kryptimi.

7. Pernešimo reiškiniai – dujų klampa • Kūnai, judėdami erdvėje, kurioje yra dujos, panašiai, kaip ir skysčiai, patiria vidinę • trintį arba klampą. • Ši klampa atsiranda dėl gretimų sluoksnių skirtingų greičių vidinės trinties jėgos F. • Ši, lygiagrečiai sluoksniams veikianti jėga, greitesnįjį sluoksnį stabdo, o lėtesnį • greitina. • Kaip ir skysčiams, ji išreiškiama: • Dydis – yra dujų dinaminės klampos koeficientas, priklausantis nuo: • Esant slėgiams artimiems atmosferiniam nuo temperatūros T~<v>, • Esant slėgiams artimiems vakuumui – nuo slėgio p~r<l>. • - dujų sluoksnių tekėjimo greičio modulis.

8. Pernešimo reiškiniai – dujų klampa Nežiūrint to, kad skysčiams ir dujoms klampos jėgos dėsnis yra vienodas, jo prigimtis skirtinga. Kadangi molekulės dujose juda chaotiškai ir tarkim laisvai, tai jose sąveikauja ne sluoksniai, kaip skysčiuose, bet pačių molekulių perėjimas iš vieno sluoksnio į kitą. Kadangi molekulės iš vieno sluoksnio į kitą pereina, turėdamos didesnį ar mažesnį judesio kiekį nei sluoksnis, tai vyksta vadinama judesio kiekio pernaša arba judesio kiekio srautas, kuris yra statmenas sluoksnių judėjimo krypčiai. Kūnas judėdamas dujose suteikia molekulėms, su kuriomis jis liečiasi judesio kiekį, kurio vektorius turi dvi komponentes – išilginę ir statmeną kūno judėjimo greičio vektoriui. Dėl to molekulės pereidinėja iš su didesniu greičiu judančių sluoksnių į mažesniu greičiu judančius sluoksnius ir juos greitina ir atvirkščiai.

9. Pernešimo reiškiniai – šilumos laidumas Savaiminis ir negrįžtamasis šilumos kiekio pernešimas iš vieno kūno į kitą arba tame pačiame kūne iš vienos vietyos į kitą vadinamas šilumos mainais. Yra trys šilumos mainų būdai: konvekcinis, spinduliavimo ir laidumo. Šiluminio laidumo reiškinio esmė – nuolat susidurdamos dujų molekulės perduoda savo kinetinę energiją ir todėl “karštos” lėtėja, o šaltos “greitėja”. Tokiam šilumos pernešimui šilumos pavidalu galioja J. Furjė šilumos laidumo dėsnis: Per laiko vienetą pro temperatūros gradiento krypčiai statmeno įsivaizduojamo paviršiaus plotą dS pernešama šiluminio judėjimo energija (energijos srautas) yra tiesiogiai proporcinga temperatūros gradiento ir ploto sandaugai. trumpiau: šilumos srauto tankis proporcingas temperatūros gradientui, t.y. jei plotas 1 m2 ir srautas jame tolygus tai :

10. Pernešimo reiškiniai – šilumos laidumas • Molekulinė kinetinė dujų teorija įrodo, kad šiluminio judėjimo energijos srautas yra • lygus: • palyginę jį su: • gauname šilumos laidumo koeficiento reikšmę: • Kuri priklauso: • Esant slėgiams artimiems atmosferiniam tik nuo temperatūros T~<v>, • Esant mažiems slėgiams (vakuumo būsenai) nuo slėgio arba r<l> sandaugos, • Taip pat nuo dujų tipo cv. • Taikant antrą priklausomybę šiluminio laidumo valdymas naudojamas stiklo paketuose, • termosuose, Diuaro induose ir kt. • Šių indų sienelės yra dvigubos. • Tarp jų oras yra labai išretintas, todėl tokio indo šilumos laidumas yra labai mažas.

11. Realiosios dujos Nagrinėdami dujų elgseną molekulinės kinetinės teorijos požiūriu, dujas laikėme idealiosiomis, t.y. nepaisėme sąveikos tarp jų. Iš tikro toks aprašymas yra supaprastinto ar priartėjimo požiūrio darinys. Realios dujos be prieš tai aprašytų jų molekulių dinaminių-chaotiškų savybių, pasižymi ir sąveika tarpusavyje. Šios sąveikos dėka kinta dujų molekulių potencinė energija ir energijos apsikeitimų mechanizmai, dėl ko atsiranda nukrypimai nuo idealiųjų dujų dėsnių, tiriant realias dujas. Šios sąveikos rūšys yra elektromagnetinės ir kvantinės prigimties.

12. Realiosios dujos Molekulių sąveikos sferos spindulys, t.y. atstumas kuriame pasireiškia sąveika yra eilės dydis. Sąveikos jėgos yra traukos, kai molekulių tarpusavio atstumas: ir stūmos, kai tas atstumas: Abi jėgos yra vienalaikės, todėl jų atstojamoji: Kai atstumas yra , atstojamosios jėgos modulis . Ši pusiausviroji būsena yra trumpalaikė, nes molekulių šiluminis judėjimas ją suardo.

13. Realiosios dujos • Molekulių sąveikos traukos jėgos vadinamos van der Valso jėgomis. • Jos yra elektromagnetinės prigimties ir skirstomos į tris tipus. • Orientacinės, • Indukcinės, • Dispersinės.

14. Realiosios dujos – orientacinės jėgos Orientacinės jėgosbūdingos polinėms molekulėms, kurių teigiamų ir neigiamų krūvių centrai nesutampa. Tokios molekulės yra elektriniai dipoliai – arti vienas kito esančių vienodo didumo, bet priešingo ženklo krūvių sistemos. Suartėdamos jos taip pasisuka, kad greta būtų priešingo ženklo krūviai. Šioje padėtyje molekulių atstojamoji traukos jėga didesnė už jų atstojamąją stūmos jėgą. Šios traukos jėgos modulis: čia: – dipolio elektrinio momento modulis, r – atstumas tarp molekulių centrų, T – būsenos temperatūra.

15. Realiosios dujos – indukcinės jėgos Indukcinės jėgos atsiranda, kai nepolinę molekulę veikia elektrinio dipolio sukurtas elektrinis laukas. Dėl to molekulių „+“ ir „– “ krūvių „centrai“ pasislenka, molekulė tampa dipoliu ir atsiranda dipolinis momentas. Abiejų dipolių indukcinės traukos jėgos modulis: čia α – molekulės poliarizuojamumas.

16. Realiosios dujos – indukcinės jėgos Dispersinės traukos jėgosbūdingos visoms molekulėms, kaip „momentiniams“ elektriniams dipoliams, atsirandantiems dėl elektronų svyravimų molekulėse. Gretimų molekulių elektronų svyravimų fazės sutampa. Dėl to molekulės orientuojasi priešingų ženklų krūviais ir traukia viena kitą. Dispersinės jėgos modulis:

17. Skysčių mechanika – hidrostatikos ir hidrodinamikos elementai Skysčių mechanika arba hidromechanika nagrinėja skysčių judėjimo dėsningumus. Skysčio, kaip mechaninio objekto, savybės: 1) Skysčiai turi tik apibrėžtą tūrį, tačiau neturi apibrėžtos formos. 2) Skysčiai kaip ir kietieji kūnai turi masę. 3) Skysčiai veikiami išorinio poveikio pasižymi slėgiu. 3) Skystis teka. 4) Realūs skysčiai pasižymi vidine trintimi, vadinama klampa. 5) Skysčiams būdingas laisvasis paviršius. 6) Skysčių judėjimas ir mechaninis poveikis pasižymi statiniais ir dinaminiais dėsningumais. Skysčio judėjimo ir mechaninio poveikio charakteristikos: 1) Skysčio tūris, masė ir tankis. 2) Skysčio mechaninio poveikio matas – slėgis. 3) Skysčio tekėjimą nusako greičio vektorių laukas. 4) Skysčio pernešimas – masės srautas. 5) Skysčio energija - kinetinė ir potencinė. 6) Skysčio klampa – dinaminis klampos koeficientas. 7) Skysčio paviršiaus įtempimas.

18. Skysčių mechanika Skysčio dinaminis parametras - slėgis Viena iš svarbiausių skysčio savybių – slėgti sienelės paviršių. Jėga, veikdama skystį, dėl jo takumo persiskirsto per visą skysčio paviršiaus veikiamą plotą. Šio poveikio kiekybinė charakteristika vadinama slėgiu. Slėgis – jėga veikianti paviršiaus ploto vienetą statmena kryptimi. daleiskim: , iš čia , o jeigu jėga per visą plotą pasiskirsto tolygiai, tai: iš čia slėgio matavimo vienetas: Slėgis yra skaliarinis dydis. Kai skysčiai slegiami išorine jėga, tai ji į visus skysčio taškus perduodama vienodai. Slėgio nepriklausomumas nuo veikiančios jėgos krypties išreiškiamas Paskalio dėsniu, kuris teigia, kad nejudančio skysčio kiekviename jo taške slėgis visomis kryptimis yra vienodas.

19. Skysčių mechanika Skysčio paviršiaus įtempis. Skysčio viduje esančias molekules veikia jėgos iš visų pusių, todėl jos kompensuoja viena kitą. Skysčio paviršiuje esančias molekules veikia nekompensuotos sąveikos jėgos. Jos yra nukreiptos į skysčio vidų ir paviršiaus liestinėskryptimi siekdamos sumažinti paviršiaus plotą. Šios jėgos vadinamos paviršinės įtempties jėgomis. Dėl nekompensuotų jėgų (potencialinių jėgų) veikimo paviršinės molekulės turi padidintąpotencinės energijos kiekį.

20. Skysčių mechanika Menisko susidarymas Priklausomai su kokiu kitu paviršiumi liečiasi skystis, galimi to susilietimo skirtingi variantai. Dėl vidinių tarpmolekulinių sąveikos jėgų skirtingų paviršių sąveikos energija gali būti teigiama, neigiama arba lygi nuliui. Tai lemia reiškinį, vadinamą drėkinimu. Jis vyksta, kai sąveikos energijayra teigiama. Priklausomai nuo energijos ženklo skiriamos hidrofilinė ir hidrofobinė sąveika. Abiem atvejais paviršius susilietimo riboje yra iškreivinamas – šis iškreivinimas vadinamas menisku.

21. Skysčių mechanika Kapiliariniai reiškiniai Paviršiaus laisvoji energija visada siekia minimizuotis. T.y. sumažinti iki minimumo plotą. Paviršiaus iškreivinimas sukelia papildomą slėgį, kurio ženklas priklauso nuo drėkinimo ar nedrėkinimo. Paviršinis papildomas slėgis išreiškiamas Laplaso lygtimi: Jeiguskystis kapiliare pakyla iki aukščio h, o nusileidžia. Kadangi kylant skysčiui susidaro hidrostatinis slėgis, nukreiptas priešingakryptimi. Jis sustos, kai nusistovės pusiausvyra: tada pakilimo aukštis bus lygus: