Вопрос 22. Явления переноса в газах и жидкостях.Диффузия в газах.

В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями перено­са, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы количества движения. К явлениям переноса относятся теплопроводность (обус­ловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внут­реннее трение (обусловлено переносом количества движения). Для этих явлений перенос энергии, массы и количества движения всегда происходит в направ­лении, обратном их градиенту, т. е. систе­ма приближается к состоянию термоди­намического равновесия.

Беспорядочное тепловое движение молекул в газе приводит к тому, что молекулы переносятся с одного места в другое и при столкновении передают друг другу кинетическую энергию и количество движения. Этот перенос молекул и столкновения между ними обуславливают несколько процессов, которые получили название явлений переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, импульса. К явлениям переноса относятся диффузия (обусловлена переносом массы), теплопроводность (обусловлена переносом энергии) и внутреннее трение (обусловлено переносом импульса силы или количества движения).

Если два различных газа привести в соприкосновение друг с другом, то тепловое движение молекул будет перемешивать их до тех пор, пока не образуется однородная смесь молекул, в которой парциальная плотность каждого газа будет одинакова во всем объеме.

Этот процесс постепенного перемешивания 2-х или большего числа газов называется диффузией. Явление диффузии наблюдается также в жидкостях и даже твердых телах. Процесс диффузии заключается в том, что каждая из компонент смеси переходит из тех частей объема, где ее порциальная плотность больше, туда, где она меньше, т.е. в направлении падения парциальной плотности.

Явление диффузии подчиняется закону Фика, который справедлив не только для газов, но и для жидкостей и твердых тел: J_m = - D d/dx,

где J_m – плотность потока массы – величина, определяемая массой вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению переноса (оси OX); D – диффузия (коэффициент диффузии); d/dx – градиент плотности (величина векторная), равный скорости изменения плотности на единицу длины Х в направлении нормали к этой площадке. Знак минус показывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности (поэтому знаки J_m и d/dx противоположны).

Диффузия D численно равна плотности потока массы при градиенте плотности, равном единице. Возникающий при наличии разности концентраций (или парциальных плотностей) диффузионный поток J_m приводит к выравниванию концентраций, т.е. к уменьшению той разности концентраций, которая вызвала этот поток. Такой процесс диффузии, в результате которого происходит выравнивание концентраций компонентов, является нестационарным процессом: при этом как градиент концентрации, так и диффузионный поток изменяются со временем.

Для того, чтобы процесс диффузии был стационарным, необходимо тем или иным путем поддерживать разность концентраций компонент смеси неизменной во времени. Для этого, например, в одной части сосуда необходимо непрерывно добавлять данный компонент, а из другой его части отбирать его в таком же количестве. При стационарной диффузии градиент концентрации остается неизменным во времени. Остается поэтому постоянным и диффузионный поток.

Рассматривая явление диффузии с точки зрения молекулярно-кинетической теории газов, можно получить выражение для коэффициента диффузии D = V/3, где V - средняя скорость теплового движения молекул,  - средняя длина свободного пробега молекул газа.