5-дәрістік сабақ. Газдардағы тасымалдау құбылыстары

1. Тікелей араласу мен конвекциялық жылу алмасу болмаған жағдайдағы, газдың қызған бөлігінен салқын бөлігіне энергия ауысу процесі жылу өткізгіштік құбылысы деп аталады. Молекулалардың жылдамдықтарының жоғары болуына қарамастан газдарда жылу өткізгіштік құбылысы баяу жүреді.

2. Макроскопиялық ауысулар жоқ кездегі, газ молекулаларының біріне-бірі ену процесі, диффузия деп аталады. Диффузияда масса тасымалданады. Газ молекулаларының жылдамдығына сәйкес бұл процесте тез жүруі тиіс.

3. Газ қабаттарына әртүрлі жылдамдықтар берілу арқылы, оның тепе-теңдік қалпы бұзылсын. Осы кезде, газдың жылдам қозғалатын бөліктерінен баяу қозғалатын бөліктеріне импульс тасылуы нәтижесінде, біршама уақыттан соң, оны құрайтын барлық қабаттардың жылдамдығы теңеледі. Бұл тұтқырлық немесе ішкі үйкеліс құбылысы деп аталады. Тұтқырлық құбылысында, газдағы ағыс жвлдамдықтарының теңелуінің негізгі себебі, оны құрайтын молекулалардың жылулық қозғалысы болып табылады.

Сонда, ортада жүретін бұндай процестер тасымалдау құбылыстары деп аталады. Тәжірибелерден, молекулалы-кинетикалық теорияны пайдаланбай-ақ, газдардағы тасымалдау құбылыстарының заңдылықтары тағайындалған.

Ішкі үйкеліс немесе тұтқырлық құбылысы. Газ ағыны жазықтығына паралель оң бағытта қозғалсын. Ламинарлық қозғалыста оның жылдамдығы осі бойынша өзгеріп отырады және соның себебінен, газдың көршілес қабаттарының арасында әсерлесу күштері - ішкі үйкеліс күштері деп аталады және олар қабаттар жанасатын ауданға, газ ағынының жылдамдық градиентіне тура пропорционал:

. (28)

Пропорционалдық коэффициент ішкі үйкеліс коэффициенті деп аталады және оның өлшем бірлігі пуазейль (Пуаз), 1Пуаз = . Олай болса тұтқырлық коэффициентінің дәлірек мәні мынаған тең:

Газдың тығыздығы оның қысымына тура, ал оған кері пропорционал болғандықтан тұтқырлық коэффициенті қысымға тәуелсіз. Бұл біріншіден, қысымға байланысты газ молекулаларының концентрациясының кемуімен, екіншіден, ның өсуіне сәйкес қарсы бағытта тасымалданатын импульс өзгерісінің артуымен түсіндіріледі. Газ тұтқырлығының температураға тәуелділігі орта арифметикалық жылдамдыққа байланысты, яғни,

1-сурет

Пропорционалдық коэффициент - жылу өткізгіштік коэффициенті деп аталады және оның өлшем бірлігі . Газдардың жылу өткізгіштік коэффициенті мына формуламен анықталады: . (31)

Жылу өткізгіштік коэффициенті қысымға тәуелсіз. Себебі, мен оған тәуелді емес, ал қысымға тура, ал оған кері пропорционал. Ішкі үйкеліс құбылысына пайдаланылған тұжырымдарға сүйеніп, жылу өткізгіштік коэффициенті квадрат түбір астындағы температураға пропорционал емес, одан біршама тезірек өсетіндігі байқалған.

Диффузия құбылысы. Газдар, молекулаларының жылулық қозғалысының себебінен, бір-бірімен араласа отырып, біртекті қоспа қүрайды. Бұл кезде әртекті газдардың концентрациялары бір қабаттан екіншісіне қарай өзгеріп отырады. Осыдан, қоспаны құрайтын газ молекулаларының концентрациясы жоғары қабатынан оның концентрациясы төмен қабатына ауысу процесі диффузия құбылысы деп аталады. Диффузия бөлшектердің орын ауыстыруы нәтижесінде жүзеге асады, олай болса, мұнда масса тасымалданады.

Тығыздығы тек осі бойымен бірқалыпты өзгеретін газ бағанасын алайық. Ол екі әртекті газ қабатынан құралсын және бір-бірімен аудан арқылы жанассын. Тәжірибелерден осы аудан арқылы уақытта ауысатын газ массасын мына формуламен анықтауға болатыны табылған (Фик заңы):

Диффузия коэффициенті мына формуламен анықталады:

Газ молекулаларының жылулық қозғалысының орта арифметикалық жылдамдығы квадрат түбір астындағы температураға тура пропорционал, бірақ қысымға тәуелсіз. Ал олардың орта еркін жол ұзындығы қысымға кері пропорционал өзгереді. Олай болса диффузия коэфициенті қысымға кері пропорционал, яғни, ал квадрат түбір астындағы температураға тура пропорционал, яғни,

Тасымалдау коэффициенттерінің арасындағы қатынастар. Жоғарыда қарастырылған тасымалдау құбылсының үш түрін мына түрде салыстырып көрсетуге болады (1-кесте).

1-кесте

Тұтқырлық және жылу өткізгіштік коэффициенттерін салыстыру арқылы мынадай өрнек алынады:

Осы сияқты диффузия және түтқырлық коэффициенттерін анықтайтын өрнектерді салыстыру мынаны береді:

Мұндағы қатынасы кинетикалық тұтқырлық деп аталады.

Диффузия және жылу өткізгіштік козффициенттерін сипаттайтын өрнектерді салыстырудан мынадай қатынас алынады:

.

Тұрақты көлемдегі газдың меншікті жылу сыйымдылығы температура өткізгіштік коэффициенті деп те аталады.