До сих пор мы рассматривали макроскопические системы
, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Однако молекулы термодинамической системы (например, газа), осуществляя беспорядочный тепловое движение, сталкиваются между собой, перемешиваются, их скорости и энергии постоянно меняются. В результате параметры термодинамической системы отклоняются от равновесных значений. Наука, изучающая микроскопическую теорию процессов в статистически неравновесных системах, называется физической кинетикой. Если в газе или жидкости является пространственная неоднородность температуры, плотности или скорости (при перемещении отдельных слоев друг относительно друга), то происходит самопроизвольное выравнивание этих неоднородностей. Поэтому в термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, названные явлениями переноса, при которых происходит пространственное перенесение соответственно энергии, массы и импульса.
Получим законы для явлений переноса из физических соображений в рамках простой мысленной модели. В пространстве, где хаотично движется множество молекул, выделим направление Х и выберем перпендикулярно к нему поверхность DS. В случае отсутствия неоднородностей через нее за и противоположно направлению Х будет проходить в среднем одно и то же количество молекул, которые будут переносить в среднем одинаковую энергию и импульс. Это динамическое равновесие будет сохраняться, пока внешнее вмешательство в систему или флуктуация не приведет к потере однородности.
Количество молекул, пересекут поверхность DS1 в направлении Х, будет тем больше (а значит, пропорциональная), чем больше время нашего наблюдения Ht, количество молекул в единице объема слева от нее (n +: n), а также площадь этой поверхности. Те же соображения справедливы и по количеству молекул, которые пройдут через поверхность DS2 противоположно Х. Но не все молекулы, которые покидают одну поверхность, успеют за время Ht достичь другой. Плотность потока молекул при диффузии - количество молекул, проходящих через единицу поверхности за единицу времени. Надо добавить, что в газах и жидкостях теплопроводность обычно не является единственным способом передачи внутренней ененгии. Существует еще конвекция (макроскопический движение, возникающее в результате нагрева, а значит, расширения, одной части среды относительно другой; конечно, в твердых телах это явление невозможно), которая в газах и жидкостях при теплопередаче играет существенную роль. Рассчитанный по формуле (4.8) коэффициент теплопроводности для воздуха при нормальных условиях будет в тысячи раз меньше известны коэффициенты теплопроводности металлов. Так, если в газах существовала только теплопроводность, невозможно было бы согреться у костра: пришлось бы ждать часами, чтобы тепло от пламени дошло до наших рук.
Для жидкостей и твердых тел формула (4.8) не пригодна (хотя закон (4.7) остается справедливым). Таким образом, возникает вопрос: когда вообще она может быть применена? К счастью, для формул существуют пути устранения конвекции: ограничение объема газа (в узком слое конвективный поток угасать, поскольку не будет иметь места, где развиться) или нагрева сверху (тогда развития конвекции противодействовать сила Архимеда). Тогда теплопроводность становится основным путем теплопередачи. Теперь становится понятным, по какой причине шуба такая теплая: в маленьких объемах воздуха между мехом не могут возникнуть конвективные потоки, поэтому тепло нашего тела переходит к холодному окружающей среды только путем теплопередачи, т.е. очень медленно. Относительно другого всем известного примера малой теплопроводности в газах - термоса, см. задачу 1 в конце раздела.
У твердых тел коэффициент теплопроводности достаточно высок. Особенно высок он у металлов. По этой причине металлические предметы кажутся нам холодными других: тепло от точки соприкосновения в металле отводится быстро, таким образом, она просто не успевает нагреться до температуры нашего тела.
3. Внутреннее трение возникает между двумя слоями газа или жидкости, которые перемещаются параллельно друг другу с различными по величине скоростями. Причиной внутреннего трения является перенос молекулами количества движения от одного слоя газа или жидкости к другому. Вязкое трение может происходить не только между слоями жидкости или газа, а также между твердым телом и средой. Так, существенное усиление влияния среды мы чувствуем, когда заходим в воду, коэффициент внутреннего трения которой больше коэффициент внутреннего трения воздуха в тысячи раз.
Результатом трения, как хорошо известно, является не только уменьшение относительной скорости тел, но и их нагрева. Это происходит в результате перехода
энергии макроскопического, направленного движения к энергии теплового, хаотического движения молекул.
В рассматриваемых явлениях переноса - теплопроводности, диффузии и внутреннего трения - наблюдается много общего. Во всех случаях происходит направленное переноса той или иной физической величины: энергии, массы, импульса. Кроме того, перенос физической величины осуществляется всегда в направлении, обратном ее градиенту, т.е. система приближается к состоянию термодинамического равновесия.