Явления переноса

§3. Явления переноса
Статистическая физика имеет дело с равновесными состояниями макросистем. Наука, изучающая процессы, возникающие при нарушении равновесия, носит название физической кинетики.
Если систему вывести из состояния равновесия, то через некоторое время она снова вернется в состояние равновесия, т. к. состояние равновесия является наиболее вероятным. Процесс возврата системы в состояние равновесия называется процессом релаксации. Но такой процесс является необратимым. Мы ограничимся рассмотрением явлений, возникающих в средах в тех случаях, когда отклонения от равновесия невелики. Эти явления сопровождаются переносом массы, тепла, заряда и тому подобного. Отсюда и названия этих процессов – явления переносов.


Явлениями переноса называются необратимые процессы перераспределения массы, импульса, теплоты, заряда в неоднородных системах вследствие хаотического теплового движения молекул системы.
Причиной явления переноса является неоднородность системы; способом переноса – хаотическое тепловое движение молекул.
Мерой неоднородности системы (среды) в одномерном случае является производная по координате:
- если среда неоднородна по концентрации молекул;
- если среда неоднородна по скорости упорядоченного движения слоев;
- если среда неоднородна по температуре (рис.2.23).
Рис.2.23.

Мерой переноса (т. е. следствия неоднородности) является поток. Поток – это количество какой-либо величины (числа молекул, импульса, энергии), проходящее в единицу времени через какую-то поверхность: j_m; j_p; j_q. Плотность потока – это количество какой-либо величины, проходящее в единицу времени, через единичную поверхность. Чем больше неоднородность системы, очевидно, больше плотность потока, причем поток стремится уменьшить неоднородность системы. Запишем это в виде

уравнение Фика, где j_m– плотность потока частиц, D – коэффициент диффузии­­­­, – градиент концентрации; процесс переноса называется диффузией.

уравнение Фурье, где j_q – плотность теплового потока, – коэффициент теплопроводности, – градиент температуры; процесс переноса – теплопроводность.

где j_p – плотность потока импульса,  – коэффициент вязкости или внутреннего трения, – градиент скорости направленного движения; процесс переноса – вязкость.
Выражение для внутреннего трения часто записывают по-другому
,
но ,
откуда получаем , где F – сила внутреннего трения, dS– площадь соприкасающихся слоев.
Диффузия – это явление переноса массы в среде, неоднородной по концентрации молекул.
Внутреннее трение – это явление переноса импульса в среде, неоднородной по скорости упорядоченного движения в среде.
Теплопроводность – это явление переноса тепла в среде неоднородной по температуре.