Теплопроводность жидкостей и газов (стр. 2 из 3)
,где
= ср/cv, ср — теплоёмкость при постоянном давлении. В реальных газах коэффициент теплопроводности — довольно сложная функция температуры и давления, причём с ростом Т и р значение 
возрастает. Для газовых смесей может быть как больше, так и меньше коэффициента теплопроводности компонентов смеси, то есть теплопроводности - нелинейная функция состава.Если газ неравномерно нагрет, т. е. температура в одной его части выше или ниже, чем в другой, то наблюдается выравнивание температуры: более нагретая часть охлаждается, тогда, как более холодная нагревается.
Очевидно, что это связано с потоком тепла от более нагретой части газа к более холодной. Это явление возникновения потока тепла в газе называется теплопроводностью, В любом теле, в частности в газе, предоставленном самому себе, теплопроводность приводит к выравниванию температур, и этот процесс, конечно, нестационарный. Но часто встречаются и случаи, когда разность температур искусственно поддерживается постоянной.
Например, в электрической лампе накаливания газ, находящийся непосредственно около накаленной нити, имеет высокую температуру (равную температуре самой нити), тогда как газ, прилегающий к стенкам стеклянного баллона лампы, обладает значительно более низкой температурой. Через некоторое время после включения лампы устанавливается постоянная разность температур между нитью и стенками. Это постоянство обеспечивается, с одной стороны, электрической энергией, подводимой к нити из электрической сети, с другой стороны — отдачей тепла от стенок лампы к окружающему ее воздуху. При этих условиях в газе, находящемся в лампе, устанавливается стационарный, т. е. не изменяющийся со временем, поток тепла. Установившаяся стационарная разность температур зависит от теплопроводности газа (для лампы накаливания надо иметь в виду, что кроме отвода тепла через газ в данном частном случае отвод тепла происходит главным образом в результате излучения).
В приведенном примере лампы расчет потока тепла представляет большие трудности, связанные со сложной формой нити и сосуда, вследствие чего распределение температуры в газе тоже оказывается весьма сложным.
Чтобы найти количественные закономерности, характеризующие процесс теплопроводности, мы рассмотрим более простую задачу
Пусть вдоль какого-нибудь направления в газе, например, вдоль оси X, температура меняется от точки к точке, т. е. является функцией v. в то время как в плоскости, перпендикулярной к этой оси, температура всюду одинакова
Изменение температуры вдоль оси X характеризуется градиентом температуры
.Смысл градиента температуры заключается в том, что он равен изменению температуры от одной точки к другой, отнесенному к единице расстояния между ними. Существование градиента температуры и является необходимым условием для возникновения теплопроводности. Направление потока тепла совпадает с направлением падения температуры. Если возрастанию х (т. е. dx > 0) соответствует падение температуры (dТ<0), то тепло течет в направлении возрастающего х: поток тепла направлен так, чтобы уменьшить существующий градиент температуры, который его вызвал. Опыт показывает, что поток тепла Qпропорционален градиенту температуры (закон Фурье):
(3.5)При стационарных условиях количество тепла Q, протекающего в единицу времени через газ, равно мощности источника энергии, за счет которого поддерживается заданный градиент температуры. Эта мощность (обычно электрическая) и подлежит измерению при экспериментальном определении коэффициента теплопроводности. В тех случаях, когда газ, в котором существует градиент температуры, предоставлен самому себе, т. е. к нему извне не подводится энергия, теплопроводность приводит к выравниванию температуры. Сначала мы и рассмотрим такую нестационарную теплопроводность. Как мы увидим, закон выравнивания температуры весьма напоминает процесс выравнивания концентрации посредством диффузии.
5. Теплопроводность жидкости
В исследованиях, посвященных теории теплопроводности жидкостей, можно увидеть три основных направления:
1. Вычисление кинетических коэффициентов средствами статистической физики.
2. Использование моделей теплового движения и механизмов переноса.
3. Полуэмпирический подход.
Рассмотрим первое из этих направлений.
Исторически первой попыткой расчета коэффициента теплопроводности путем использования аппарата статистической физики можно считать работу Энскога. В теории Энскога используется модель молекул - жестких шаров, которая позволяет ограничиться учетом лишь парных соударений молекул и тем самым воспользоваться схемой кинетического уравнения Больцмана.
Непосредственно к жидкостям метод Энскога может быть применен в
качестве первого приближения теплопроводности по газу т.к. схема кинетического уравнения Больцмана не содержит основного элемента, свойственного жидкому состоянию - взаимодействия коллектива молекул.
Второе направление использует различные представления модельного характера о природе теплового движения и механизмах переноса. Так, например, существует группа работ, в основу которой положена решеточная модель жидкости. В них предполагается, что тепловое движение молекул, в основном, сводится к колебательным движениям вокруг временных положений равновесия в квазикристаллических "ячейках". В соответствии с этим предполагается, что перенос тепла происходит за счет обмена энергией при непосредственном "столкновении" колеблющихся соседних молекул.
Теплопроводность жидкости предлагается рассчитывать по формуле
(3.6)где νк - частота колебаний, aкол - амплитуда колебаний,
Далее рассмотрим работы, где использовано представление о колебательном характере теплового движения в жидкостях по аналогии с теорией Дебая для твердых тел, где перенос тепла осуществляется посредством гиперакустических колебаний среды (фононов). Здесь теплопроводность жидкости выражается соотношением:
(3.7)где Uф - скорость звука, ℓф - средняя длина свободного пробега,
ρ – плотность.
Формула для жидкостей была предложена Л. Бриллиюэном в 1914 г.
Многие исследователи пользовались выражениями, которые являются упрощенными выражениями формулы для твердых тел Дебая. Первая в этом направлении работа была выполнена Н.П. Пашским. Формула Пашского может быть приведена к виду
(3.8)гдеа - среднее расстояние между молекулами, L - характеристическая константа.
Эта формула аналогична формуле Дебая, если длина свободного пробега волн выражается соотношением
(3.9)где b - эмпирический (поправочный) коэффициент.
Американский ученый Бриджмен предположил, что средняя длина свободного пробега волн ℓ равна среднему расстоянию между
молекулами а,
(3.10)Для теплопроводности получается формула
(3.11)где Uф- скорость звука в жидкости.
Попытка учесть роль внутренних колебательных степеней свободы была сделана Е. Боровиком. Им получена формула для теплопроводности
(3.12)где r - радиус молекулы.
При оценке работ рассматриваемого направления, возникает вопрос:
В какой степени корректно использование общей формулы Дебая
для жидкостей?"Экспериментальные данные показывают, что теплопроводность жидкостей тем больше, чем больше ее удельная теплоемкость CV. Следовательно, теплоемкость может входить в выражение для λ. Помимо этого, в жидкостях происходят явления, аналогичные тем, которые наблюдаются в твердых телах, а именно, коллективные колебания молекул распространяются со скоростью звука и область их распространения ограничивается "длиной свободного пробега".
Кроме того, представление о переносе тепла дебаевскими волнами отражает важную особенность жидкого состояния - коллективный характер колебаний части молекул жидкости (в отличие от газового состояния с хаотическиеми перескоками молекул).
Рассмотрим третье направление – полуэмпирические методы расчета теплопроводности жидкости.
В работе А.Миснара вывод формулы для теплопроводности сделан на основе общей формулы Дебая: λ ~ ρ ·Uф ·СV ·ℓф, выражающей зависимость коэффициента теплопроводности от плотности ρ, скорости звука U, удельной (объемной) теплоемкости СV и длины свободного пробега носителей энергии - фононов - ℓф. По аналогии с приближенной формулой для скорости звука в твердом теле