Главная > Физика > Введение в физику (А. И. Китайгородский)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 82. Стационарные процессы

Если тело предоставлено самому себе, то различия в температурах, концентрациях и скоростях движения частей тела обязательно уравняются в соответствии с принципом возрастания энтропии. Однако вполне возможно и такое состояние тела, при котором длительное время в нем существует неизменный поток тепла или вещества или неизменное распределение скоростей движения частей тела друг по отношению к другу. Процессы такого рода носят название стационарных. Разумеется, при стационарном процессе тело не находится в состоянии равновесия.

При каких же условиях возиожны подобные процессы? Представим себе металлический стержень, к которому с одного конца подводится в каждый момент времени некоторое количество тепла. Другой конец стержня находится в тепловом контакте с более холодным телом. Условия, при которых температуры вдоль стержня не будут изменяться, т. е. условия постоянства градиента температуры на всем пути теплового потока, будут выполнены в том случае, когда количество тепла, отнимаемого холодным телом, будет строго равно количеству тепла, подводимому за то же время более горячим телом. При аналогичных условиях возможен и стационарный диффузионный процесс. Для его создания необходимо в одном месте подводить, а в другом уводить из тела равные количества вещества, поддерживая, таким образом, неизменной определенную разность концентраций между двумя участками тела.

Стационарный вязкостный процесс может быть осуществлен, например, в пространстве между двумя коаксиальными цилиндрами, вращающимися с разными скоростями. Так как у твердых поверхностей жидкость или газ будут иметь скорость, совпадающую с движением твердой стенки, то внутри жидкости создастся постоянный перепад скоростей.

Стационарный процесс возникает не сразу. В течение какого-то времени происходит установление этого процесса.

Представим себе, что стержень, по которому передается тепло, погружен одним концом в снег. В начальный момент времени температура стержня во всех его точках равна нулю. Если теперь привести другой конец стержня в тепловой контакт с кипящей водой, то температура начнет повышаться во всех точках стержня, причем, разумеется, не одинаково быстро. Почти сразу установится высокая температура на конце стержня, приведенном в контакт с кипящей водой. Медленнее всего будет расти температура на конце стержня, погруженном в снег. Через некоторое время рост температуры во всех точках стержня прекратится, установится вполне определенное распределение температуры — процесс станет стационарным. Характер распределения температур зависит от того, сколько тепла подводится (отводится) в единицу времени.

В электрическом утюге, нагреваемом спиралью, центральная часть находится при самой высокой температуре, далее температура

постепенно падает к наружным краям. В окружающей среде, конечно, наиболее горячим является воздух, примыкающий к утюгу. Далее температура спадает более быстро в силу малой теплопроводности воздуха.

Для грубых расчетов и при малом размере тела, находящегося в воздухе или жидкости, можно не рассматривать кривой падения температуры, а говорить о разнице между температурой тела и среды, Тепловой поток, передаваемый телом в среду за единицу времени, можно в этом случае полагать пропорциональным этой разности температур:

Коэффициент называется коэффициентом теплоотдачи. Это важная для техники величина. Ее значения и вычисления, с ней связанные, обсуждаются в курсе теплотехники.

Обозначим через мощность, подводимую к телу, например электрическую мощность в случае утюга. Условие стационарности процесса требует равенства

Здесь температура тела, которая установилась в этом стационарном процессе, Она может существенно меняться в зависимости от подводимой мощности и от условий теплообмена.

Здесь уместно сделать замечание о температуре, которую показывает термометр, выставленный «на солнце». Термометр участвует в стационарном процессе передачи солнечного тепла окружающему воздуху. В зависимости от значения коэффициента теплоотдачи термометр, лежащий под солнечными лучами, может показать в полном смысле слова все, что угодно. Измеренная при таких условиях температура есть температура термометра и ни в какой степени не характеризует погоду.

Мы не будем рассматривать аналогичные проблемы в отношении диффузии.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление