Разработка теории радиогеохимического эффекта (стр. 3 из 9)

(2.6)

Второй интеграл в равенстве (2.5) преобразуем в объемный, воспользовавшись теоремой Остроградского-Гаусса. Получим

(2.7)

где

Подставим (2.6), (2.7) в (2.5), и объединяя интегралы получим

(2.8)

Учитывая в (2.8) произвольность объема

, получаем

(2.9)

Уравнение (2.9)– уравнение неразрывности для массы в дифференциальной форме.

2.2. Закон Фика

Закон Фика необходим для описания диффузии растворенного(радиоактивного) вещества пропорциональной градиенту их плотности. Плотность радиоактивных примесей является функцией от химического потенциала

В уравнении (2.9) предыдущего параграфа вектор потока имеет вид

(*)

где

– конвекционная компонента вектора потока, связанная с потоком вещества (массы). Для случая, когда движение массы происходит только за счет конвекции, поток записывается в виде

(2.10)

– диффузионная компонента, возникает при наличии в системе градиента концентрации. Для диффузионного компонента справедлив I Закон Фика:

(2.10*)

– коэффициент концентрационной диффузии, (далее будем опускать).

Диффузионный поток пропорционален градиенту плотности, взятому с обратным знаком.

Подставим (2.10) и (2.10*) в (*), получим

(2.11)

Подставим (2.11) в (2.9), получим

(2.12)

В (2.12) каждое слагаемое записали отдельно:

Преобразуем второе слагаемое в (2.12):

(2.13)

Во втором слагаемом в (2.13) осуществим круговую перестановку (знак не меняется, т.к. скалярное произведение).

Из выражения (2.13), получим

(2.14)

Преобразуем второе слагаемое в (2.12):

Условие не сжимаемости жидкости:

(2.15)

Подставив (2.14) и (2.15) в (2.12) получим

(2.16)

Если в (2.16) то получим уравнение диффузии (II Закон Фика):

(2.17)

2.3. Уравнение конвективной диффузии

Пусть имеется раствор с плотностью растворителя

и плотностью растворенного вещества – , тогда плотность раствора запишется в виде

(2.18)

Запишем уравнение неразрывности для растворителя:

(2.19)

Диффузию не учитываем, потому что в жидкостях коэффициент диффузии мал.

Будем считать, что растворитель является несжимаемым, т.е.

не зависит от пространственных координат и

(2.20)

Тогда из выражения (2.19), получим

(2.21)

Запишем уравнение неразрывности для раствора:

(2.22)

В (2.22) подставим (2.18), получим

Учитывая (2.20), (2.21) и независимость

от пространственных координат, получим

(2.23)

Опустим штрих, предполагая в дальнейшем

– плотность примеси.

(2.24)

Поясним в (2.24) значение каждого слагаемое:

Первое слагаемое

описывает изменение массового содержания в рассматриваемой точке;

Второе слагаемое

отвечает за конвекцию;

Третье слагаемое

отвечает за диффузию.

Физический смысл уравнения (2.24) заключается в следующем: изменение концентрации, со временем, в рассматриваемой точке происходит за счет конвекции и диффузии.

На практике в (2.24) слагаемым

можно пренебречь, в силу его малости.

2.4. Метод характеристик

Пусть движение несущей жидкости происходит вдоль оси

, тогда уравнение без диффузионной конвекции запишется

.

(1)

Одномерное уравнение без диффузионной конвекции (или конвекционное уравнение).

Задача Коши для уравнения (1).

Требуется найти функцию

, где и удовлетворяющую условиям:

(2)

Получим решение задачи методом характеристик.

Метод характеристик заключается в переходе от эйлеровых переменных

и

к лагранжевым. Связь производных в эйлеровых и лагранжевых координатах записывается в виде:

.

(3)

Уравнение (1) таким образом можно записать как систему двух уравнений:

(4)(5)

где уравнение (4) – уравнение для характеристик.

Из (5) следует, что

, где некоторая постоянная. Но т.к. , то .