ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА

ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА
В результате хаотического движения молекул и соударений между ними происходят
непрерывные изменения их скоростей и энергий в веществе. Если в веществе существует
пространственная неоднородность плотности, температуры или скорости упорядоченного
движения отдельных слоев вещества, то на беспорядочное тепловое движение молекул
вещества накладывается упорядоченное движение, которое ведет к выравниванию этих
неоднородностей. Эти явления называются явлениями переноса.
Таким образом, явления переноса – это группа явлений, обусловленных хаотическим
тепловым движением молекул и приводящих к направленному переносу энергии
(теплопроводность), количества движения (внутреннее трение) или массы
(диффузия). Во всех трех явлениях имеется много общего, а именно в среде происходит
направленный перенос какой-либо физической величины (энергии, количества движения,
массы) из одной части вещества в другую до тех пор, пока данная величина не
распределится равномерно по всему объему.
Явление внутреннего трения (вязкости) наблюдается в телах при всех агрегатных
состояниях, но большое практическое значение это явление имеет для жидкостей и газов.
При движении жидкости или газа между слоями возникают силы внутреннего трения,
действующие таким образом, чтобы уравнять скорости всех слоев. Возникновение этих
сил объясняется тем, что слои, движущиеся с разными скоростями, обмениваются
молекулами. Молекулы из более быстрого слоя передают более медленному слою
некоторое количество движения, что приводит к торможению быстрого слоя. Молекулы
из более медленного слоя получают в быстром слое некоторое количество движения.
Таким образом, внутреннее трение обусловлено переносом количества движения
(импульса) m молекулами вещества, которые переходят из слоя в слой. При этом
возникают силы трения между слоями газа или жидкости, перемещающимися
параллельно друг другу с различными скоростями.
В случае движения шарика в вязкой жидкости происходит следующее. При опускании
шарика в жидкость, на него налипает слой жидкости. Это происходит потому, что силы
взаимодействия между молекулами шарика и молекулами жидкости больше, чем силы
взаимодействия между молекулами внутри жидкости. Когда шарик начинает двигаться
вниз, налипший на него слой жидкости движется вместе с ним и каждая из молекул этого
слоя приобретает импульс (количество движения ) mv направленного движения, где v–
скорость шарика. В ходе движения шарика некоторые из молекул жидкости отрываются
от налипшего на шарик слоя, а другие молекулы из окружающей жидкости занимают их
место. Каждая молекула, оторвавшаяся от слоя жидкости движущегося вместе с шариком,
уносит с собой импульс mv направленного движения. Этот импульс посредством
столкновений, передается молекулам окружающей шарик жидкости. В результате
жидкость сама начинает двигаться в ту же сторону, что и шарик, т.е. приобретает импульс
направленного движения.
Поскольку наибольшее количество импульса направленного движения приобретают
ближайшие к шарику слои жидкости, они имеют наибольшую скорость (рис.1). Согласно
второму закону Ньютона
F  ma  m
dv d (mv)

dt
dt
Так как импульс направленного движения шарика уменьшается со временем,
вследствие того, что он уносится молекулами, то производная
d ( mv)
будет
dt
отрицательной. Уменьшение импульса направленного движения шарика со временем
может рассматриваться как результат действия некоторой силы
F
d ( mv)
dt
Знак минус означает, что эта сила направлена противоположно скорости. Эта сила и
называется силой внутреннего трения.
y
с2
d
dx
с1
F
Сила внутреннего трения
пропорциональна
величине
площади
соприкосновения
движущихся слоев S , градиенту
скорости d dx движения слоев,
коэффициенту пропорциональности
,
который
называется
коэффициентом вязкости (закон
Ньютона)
(2)
F   S d dx
с
Градиентом
скорости
d dx
называется изменение скорости d
на
единицу
длины
в
dx
направлении,
перпендикулярном
скорости движения слоев (рис. 3).
Коэффициент
вязкости
есть
физическая величина, численно
Рис. 3
равная силе внутреннего трения,
между двумя слоями с площадью,
равной единице при градиенте
скорости, равном единице.
Знак «минус» в формуле Ньютона показывает, что сила направлена противоположно
изменению скорости.