Процесс переноса в современной физике

Под процессами переноса в современной физике понимают перенос вещества (диффузия), количества движения (вязкое течение) и энергии (теплопроводность, конвекция). Знание основных законов, которым подчиняются эти физические явления является одним из важнейших требований современной науки. В многочисленных исследованиях процессов переноса можно всегда проследить их взаимосвязь и влияние друг на друга. Мы ограничимся описанием только одного явления переноса - переноса массы вещества или диффузии. Диффузия - казалось бы такое простое слово, но какую большую роль она играет во многих процессах, распространенных в природе и технике. Под диффузией понимают самопроизвольное проникновение одного вещества в другое.

Как природное явление, диффузию в явной или неявной форме начали изучать с момента признания того факта, что все тела в окружающем нас мире состоят из молекул или атомов, которые находясь в постоянном движении взаимодействуют между собой, проникая друг в друга. Первые опубликованные серьезные научные работы по массопереносу относятся к началу XIX века - это работы Грехэма, Фика, позже Максвелла, Больцмана. В частности, Максвеллом и Больцманом была заложена основа молекулярно-кинетической теории, которая к настоящему времени достигла значительных успехов. Параллельно для описания процессов переноса многие ученые начинают привлекать термодинамическую и гидродинамическую теории.

Мы не будем вдаваться в суть этих теорий, а упомянули их для того, чтобы показать какое внимание уделяется научной общественностью явлениям переноса.

Итак, мы уже знаем, что газы состоят из молекул, которые находятся в постоянном движении. Самый простой диффузионный процесс - это перемещение в некотором объеме молекул чистого (однокомпонентного) газа, когда они взаимодействуют только с себе подобными. В этом случае говорят, что происходит самодиффузия. Eсли же имеются два газа, то проникновение одного в другой происходит по законам более сложным и их взаимодействие сопровождается рядом эффектов, которые начинают оказывать определенное влияние на весь массообменный процесс. Из школьного курса физики известно, что от одного столкновения до другого молекула проходит определенный путь, который называется длиной свободного пробега. Длина этого пути зависит от скорости молекулы и давления при котором находится газ. В свою очередь скорость молекулы связана с ее массой и температурой. Если считать, что температура и давление постоянны, то смешение молекул двух сортов газов будет происходить только за счет изменения их первоначальной концентрации (в науке употребляется термин градиента концентрации). Из этого простого рассуждения можно заключить, что “тяжелые” молекулы, по сравнению с “легкими”, при всех прочих равных условиях имеют скорости меньше, а следовательно и меньшую длину свободного пробега.

В научной литературе способность газов проникать друг в друга характеризуется, так называемым, коэффициентом диффузии. Рассмотрим диффузию молекул легкого газа в тяжелый на примере гелия (Не) и аргона (Аr). Для этого представим некоторый объем, который разделен перегородкой на две части (в дальнейшем в том месте, где размещается перегородка мы будем помещать воображаемую контрольную площадку). Сверху перегородки поместим Не, а снизу Аr. Почему именно таким должно быть расположение газов легко объяснимо. Так как гелий легче аргона (плотность его меньше, чем аргона), то возникновение течений (конвекции) за счет сил Архимеда, т.е. из-за разности плотностей исключено. В противном случае смешивание газов будет происходить недиффузионным путем, а благодаря конвекции. Выровняем давление и температуру в обоих частях объема  и уберем перегородку (теперь здесь находится контрольная площадка). Что же мы должны наблюдать? Естественно начнется диффузия молекул гелия в аргон и наоборот. В начальный момент времени молекулы гелия, как более подвижные, проникнут в часть объема занимаемого аргоном в большем количестве, чем молекулы аргона в гелий. Тогда в нижней части объема увеличится давление, а в верхней уменьшится, так как величина давления прямопропорциональна числу молекул в объеме, занимаемом газом. В результате между двумя частями нашего объема возникнет разность  давлений или, так называемый, диффузионный бароэффект. Избыток давления согласно законам механики сплошной среды приведет к образованию гидродинамического потока, который начнет переносить как молекулы гелия, так и аргона из нижней части объема в верхнюю.