Методические указания к лабораторным занятиямпо дисциплине «Молекулярная физика» для студентов специальности «5В011000, 5В060400-физика»

В термодинамических неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлением переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы и импульса. К явлениям переноса относятся теплопроводимость, диффузия и внутреннее трение.

Различают три принципиально различных способа распространения тепла: теплопроводимость, конвекция и тепловое излучение.

Конвекция называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания микроскопических объемов газа или жидкости.

Тепловое излучение – это процесс распространения электромагнитных волн с различной длиной волн, обуславливаемый тепловым движением атомов или молекул излучающего тепла.

Теплопроводимость - представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного движение частиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. В твердых телах теплопроводимость является обычно основным видом распространения тепла.

Явление теплопроводности, можно представить себе как результат столкновения молекул. По мере нагревания одного из концов твердого тела молекулы в ней начинают двигаться все быстрее и быстрее. При столкновении в менее быстро движущимся соседними молекулами они передают им часть своей энергии, в результате чего скорость последних увеличивается. Затем успокоившиеся молекулы передают часть своей энергии в процессе столкновений следующим молекулам, находящимся еще дальше от нагретого конца. Таким образом переходит перенос теплоты, т.е передача энергии теплового движения по объему тела за счет столкновений между молекулами. Явление теплопроводимости происходит только при наличии разности температур между различными точками тела.

Экспериментально установлено, что количество теплоты, которые переносится в единицу времени из одного конца тела в другое, пропорционально разности температур на его концах. Тепловой поток зависит также от размеров и формы тел. Поэтому мы рассмотрим одномерную задачу на примере теплового потока через однородное симметричное тело относительно оси. Если в двух соседних сечениях температуры Т и Т+dT, а толщина слоя dz,то отношение dT/ dz будет характеризовать быстроту измерения температуры на единицу длины в направлении нормали к этой площадке, оно носит название градиента температуры.

Фурье экспериментально установил, что тепловой поток q, определяемый количеством теплоты, проходящим через поперечного сечения S тела в единице времени, пропорционально градиенту температуры dT/ dz закон Фурье:

Из соотношения легко видно, что теплопроводность æ числена, равна количеству теплоты проходящей через единичную площади за единицу времени при градиенте температуры равном единице. Поскольку единицей теплового потока q является джоуль в секунду т. е Ватт то измеряется в Ватт на метр Кельвин/Вт/(м*К).

Если процесс переноса тепла стационарный и температура меняется от слоя к слою равномерно, то уравнение (1) в этом случае примет следующий вид:
(2)
где T₁-T₂ разность температур между двумя сечениями веществ, находящихся на расстоянии z.