Αρχική Σελίδα > ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 3ο. Φαινόμενα μεταφοράς. Ο ρόλος της δύναμης σαν γενικότερος μεταφορέας Γνωστά είδη δυνάμεων (Βαρυτικές Ηλεκτρικές Ηλεκτρομαγνητικές Οπτικές ) και τα πεδία τους.

ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 3ο. Φαινόμενα μεταφοράς. Ο ρόλος της δύναμης σαν γενικότερος μεταφορέας Γνωστά είδη δυνάμεων (Βαρυτικές Ηλεκτρικές Ηλεκτρομαγνητικές Οπτικές ) και τα πεδία τους.

Δήμητρα Σπανού, χημικός, συνταξιούχος καθηγήτρια Χημικός Δευτεροβάθμιας Εκπ/σης από 30-6-2025

υπό έρευνα

υπό κατασκευή

Τα φαινόμενα μεταφοράς περιλαμβάνουν όλους τους παράγοντες της φυσικής αλλαγής στο σύμπαν. Επιπλέον, θεωρούνται τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία που ανέπτυξαν το σύμπαν και που είναι υπεύθυνα για την επιτυχία όλης της ζωής στη Γη.

Διαδικασίες μετάβασης - Βικιπαίδεια

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΥΣΙΚΩΝ ΠΟΣΟΤΗΤΩΝ ΑΠΟ ΜΙΑ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΑΛΛΗ ΥΠΟ ΤΗΝ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΥΝΑΜΗΣ

Έχουν σημειωθεί φαινόμενα κατά τα οποία μια ορισμένη Φυσική Ποσότητα μεταφέρεται από μια περιοχή του συστήματος σε μια άλλη υπό την επίδραση κάποιας κινητήριας δύναμης.

Αυτά τα φαινόμενα, παρ' ότι έχουν υπάρξει παράγοντες φυσικής αλλαγής στο Σύμπαν και είναι υπεύθυνα για την επιτυχία όλης της ζωής στη Γη, Σε εμάς τα φαινόμερα μεταφοράς, αφορούν διαφορετικά πεδία και κυρίως μελετώνται με τα τεχνητά δημιουργημένα συστήματα, δηλαδή αυτά που σχετίζονται με ανθρώπους, προϊόντα και διαδικασίες και με την οικονομία

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΕ ΤΕΧΝΗΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ: ΔΙΑΧΥΣΗ, ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΩΤΗΤΑ, ΙΞΩΔΕΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ

Στα φαινόμενα μεταφοράς σε πεδία πολύ διαφορετικά μπορούμε να εντοπίσουμε κοινές συνδέσεις που βοηθούν στο να τα εξετάζουμε μαζύ.

Η μεταφορά μάζας (μηχανική του συνεχούς) , η μεταφορά ποσότητας κίνησης (κινηματική) και η μεταφορά θερμότητας (θερμοδυναμική) έχουν πολύ παρόμοια μαθηματική βάση και στην μελέτη τους

Η διεύθυνση της μεταφοράς: Η μεταφορά (ροή) s της εκάστοτε φυσικής ποσότητας γίνεται μέσα από μια επιφάνεια κάθετη στην διεύθυνση ροής
Αν θεωρήσουμε την κίνηση κατά την διεύθυνση x η κινητήρια δύναμη είναι η παράγωγος μιας άλλης μεταβλητής στον Y προς την συντεταγμένη x (θY/θx) .Είναι η μεταβολή (Βαθμίδα ) μιας άλλης φυσικής μεταβλητής Y ως προς την συντεταγμένη x
Ο ρυθμός μεταφοράς Jx (ταχύτητα της μεταφοράς) είναι ανάλογος προς το μέγεθος της κινητήριας αυτής δύναμης
με αρνητικό πρόσημο γιατί η αύξηση της Y προς την διεύθυνση x προκαλεί μεταφορά της εκάστοτε φυσικής ποσότητας, κατά την αντίθετη διεύθυνση

Jx = -B θY/θx

Ενίοτε, η μεταβολή (Βαθμίδα ) μιας άλλης φυσικής μεταβλητής Y δεν γίνεται ως προς την συντεταγμένη x αλλά ως προς άλλη κατεύθυνση , την z ή την y (Ιξώδες)

Η μοριακή διάχυση: Μεταφορά μάζας (φοργτό χαρακτηριστικό το Βάρος) δια μέσου επιφάνειας κάθετης στην διεύθυνση της κίνησης x. Βαθμίδα μεταφοράς η διαφορά στη συγκέντρωση (κλίση) και προϋπόθεση είναι η συγκέντρωση να είναι συνάρτηση της συντεταγμένης x και να υπάρχει διαφορά από θέση σε θέση) τότε:

Ισχύει ο πρώτος νόμος του Fick Jx = -D θC/θx mol. m^-2 sec^-1 (Jx είναι η ροή μάζας και D είναι ο συντελεστής διαχύσεως σε m² sec^-1)

Το Jx εκφράζει τη ροή της μάζας σε mol που διέρχεται ανα s κατά την διεύθυνση x

Η θερμική Αγωγιμότητα: Μεταφορά θερμότητας ( φορητό χαρακτηριστικό η Ενέργεια) δια μέσου επιφάνειας κάθετης στην διεύθυνση της διάδωσης της θερμότητας x. Βαθμίδα μεταφοράς η διαφορά στη θερμοκρασία (κλίση) και προϋπόθεση η θερμοκρασία να είναι συνάρτηση της συντεταγμένης x ,δηλ. T= T(x) τότε

Ισχύει ο νόμος του Fourier Jx = -k_T θT/θx J. m^-2 sec^-1k_Tείναι ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας σε J.k^-1m^-1 sec^-1

Το Jx εκφράζει το ποσό της θερμότητας το οποίο διέρχεται (ροή θερμότητας σε joule ) ανα s κατά την διεύθυνση x σε

Tο Ιξώδες των αερίων Μεταφορά ορμής ( φορητό χαρακτηριστικό η ορμή).δια μέσου επιφάνειας κάθετης σε διεύθυνση κάθετη της διάδοσης της x. Βαθμίδα μεταφοράς η μεταβολή της ταχύτητας των στρωμάτων του υλικού, u_x ως προς την συντεταγμένη z . Η ταχύτητα στον x ελαττώνεται προς την κατεύθυνση των τοιχωμάτων δοχείου που περιέχει το ρευστό (δηλαδή η ταχυτητα ροής των στρωμάτων του υλικού είναι συνάρτηση της απόστασης από τα τοιχώματα του δοχείου και σε κατεύθυνση κάθετη με την ροή του ρευστού (,δηλ. T= T(x) σημείωση *

Ισχύει ο νόμος Iξώδους ροής του Newton F_zx = -n θu_x/θ_z m

Το n λέγεται συντελεστής ιξώδους σε kgr m^-1 sec^-1 ,

Εδώ παρατηρούμε πως: Ο ρυθμός μεταβολής (μεταφοράς) της ορμής (μεταβολή της ορμής με τον χρόνο) εκφράζει Δύναμη (2ος Νόμος Νεύτωνα) F=my=m(du/dt) = d(mu)/dt =F . Αποτέλεσμα της F είναι Fzx

Ο συντελεστής Ιξώδους μπορεί να υπολογιστεί από τον αριθμό Reynolds= 2Rρu_x(μέση)/n

Για στρωτή ή ιξώδη ροή ο αριθμός αυτός πρέπει να είναι μικρότεορς του 2100. Για τιμές πάνω από 4000 η ροή γίνεται τυρβώδης και δεν είναι είκολοι οι υπολογισμοί

σημείωση *

Άλλα φαινόμενα μεταφοράς φυσικής ποσότητας συναντάμε στη μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου, και γωνιακής ορμής

Η ηλεκτρική Αγωγιμότητα: Μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου ( φορητό χαρακτηριστικό το ηλεκτρικό φορτίο).δια μέσου επιφάνειας κάθετης σε διεύθυνση κάθετη της διάδοσης της x. Βαθμίδα μεταφοράς

Ισχύει ο νόμος του Ohm .

J είναι η πυκνότητα ροής ηλεκτρικού φορτίου

Συντελεστής ηλεκτρικής αγωγιμότητας είναι 1/ρ

Αλλά και είναι συχνά

σε τομείς κατασκευής Μηχανικής όπως στη Χημεία, τη Βιολογία, τη Μηχανολογία

ΤΑ ΤΕΣΣΕΡΑ ΕΙΔΗ ΔΥΝΑΜΕΩΝ ΟΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥΣ ΚΑΙ Η ΕΜΒΕΛΕΙΑ ΤΟΥΣ

Κατά σειρά μειούμενης ισχύος 'εχουμε:

Η ισχυρή πυρηνική δύναμη. Ασκείται σε πυρηνικά σωματίδια. Είναι ισχυρότερη από όλες, Τάξη μεγέθους 10⁴Ν. Είναι πολύ μικρής εμβέλειας 10^-15m. Συγκρατεί τα σωματίδια στον πυρήνα.

Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη Ασκείται σε ηλεκτρικά φορτία . Τάξη μεγέθους 10²Ν. Είναι άπειρη εμβέλεια

Η ασθενής πυρηνική δύναμη: Ασκείται σε στοιχειώδη σωματίδια Τάξη μεγέθους 10-²Ν. Μικρής εμβέλειας 10^-17m. Προκαλέι ραδιενεργό διάσπαση

Η βαρυτική δύναμη: Ασκείται σε μάζες m. Τάξη μεγέθους 10-34Ν. Άπειρης εμβέλειας

ΠΗΓΕΣ

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ Βασική θεώρηση Ν. Α. ΚΑΤΣΑΝΟΥ

Διαδικασίες μετάβασης - Βικιπαίδεια

Μη συντηρητικές δυνάμεις

Πεδίο δυνάμεων και συντηρητικές δυνάμεις – Υλικό Φυσικής – Χημείας

Appl6.pdf

Ηλεκτροστατική - Βικιπαίδεια

7η Διάλεξη.pdf

Μη συντηρητικές δυνάμεις

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΊ ΜΕΤΑΦΟΡΆΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΎ ΦΟΡΤΊΟΥ ΚΑΙ ΚΙΝΗΤΙΚΆ ΦΑΙΝΌΜΕΝΑ ΣΕ ΑΤΟΜΙΚΈΣ-ΜΟΡΙΑΚΈΣ ΔΟΜΈΣ ΖΩΝΤΑΝΏΝ ΣΥΣΤΗΜΆΤΩΝ, Μηχανισμοί μεταφοράς ενέργειας και φορτίου σε βιομοριακά συστήματα - Βιοϊατρικές νανοτεχνολογίες

ΑΚΑΤΕΡΓΑΣΤΟ

Οι εξισώσεις του Maxwell 1776

∮Ε.dΑ = q/ε₀περιγράφει το ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ πεδίο που δημιουργείται από ηλεκτρικό φορτίο

∮Β.dΑ = 0 περιγράφει το ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ πεδίο που δημιουργείται από μαγνήτη

∮Ε.dℓ = -Φ_Β/dt περιγράφει το ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ πεδίο που δημιουργείται από μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο

∮Β.dℓ = μ₀(Ι + ε₀dΦ_Ε/dt) περιγράφει το ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ πεδίο που δημιουργείται από ηλεκτρικό ρεύμα είτε από μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο

Το ηλεκτρικό ρεύμα παράγει μαγνητικό πεδίο.

Στη φυσική, η Δύναμη Λόρεντζ είναι η δύναμη που ασκείται σε ένα φορτισμένο σωματίδιο που βρίσκεται μέσα σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το σωματίδιο θα αντιληφθεί τη δύναμη εξ αιτίας του ηλεκτρικού πεδίου qE, και εξ αιτίας του μαγνητικού πεδίου qv × B. Ο συνδυασμός τους, δίνει την εξίσωση (ή το νόμο) της δύναμης Λόρεντζ:

\mathbf {F} =q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} ),

όπου

F είναι η δύναμη (σε Νιούτον)

E είναι το ηλεκτρικό πεδίο (σε Βολτς προς μέτρα)

B είναι το μαγνητικό πεδίο (σε Βέμπερς προς μέτρα στο τετράγωνο, ή ισοδύναμα, Τέσλα)

Τα φερμιόνια είναι πιο μικρά από τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια και αποτελούν συστατικά τους) Τα μποζόνια είναι τα εξής 1. φωτόνιο για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο 2. Γλοιόνιο για το ισχυρό πυρηνικό πεδίο 3. Ζ0 και W+/- για το ασθενές πυρηνικό πεδίο 4. Βαρυτόνιο για το βαρυτικό πεδίο 5 Σωματίδιο Higg

Τα φωτόνια και η Ανταλλαγή της Ενέργειας

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία προέρχεται από εκπομή φωτονίων

Το φωτόνιο είναι μποζόνιο

Σύμφωνα με την θεωρία της κβαντομηχανικής

η ύλη αποτελείται από φερμιόνια ( που έχουν μάζα ηρεμίας )

και μποζόνια που έχουν μηδενική μάζα ηρεμίας

Με τα μποζόνια γίνεται η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ των φερμιονίων

Τα φερμιόνια είναι πιο μικρά από τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια και αποτελούν συστατικά τους)

Τα μποζόνια είναι τα εξής

1. φωτόνιο για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο

2. Γλοιόνιο για το ισχυρό πυρηνικό πεδίο

3. Ζ⁰ και W^+/-για το ασθενές πυρηνικό πεδίο

4. Βαρυτόνιο για το βαρυτικό πεδίο

5 Σωματίδιο Higg

Οι εξισώσεις (του) Μάξουελ είναι ένα σύνολο των μερικών διαφορικών εξισώσεων που, σε συνδυασμό με το νόμο της δύναμης Λόρεντζ, αποτελούν τα θεμέλια της κλασικής ηλεκτροδυναμικής, της κλασικής οπτικής, και των ηλεκτρικών κυκλωμάτων.

Όνομα	Ολοκληρωματικές Εξισώσεις	Διαφορικές Εξισώσεις
Νόμος του Γκάους	{\\scriptstyle\\partial \\Omega }"},"integrand":{"wt":" $\\mathbf{E}\\cdot\\mathrm{d}\\mathbf{S} = \\frac{1}{\\varepsilon_0} \\iiint_\\Omega \\rho \\,\\mathrm{d}V$ "}},"i":0}}]}" id="mwgg" style="text-wrap-mode: nowrap;" typeof="mw:Transclusion"> $\oiint$ ${\scriptstyle \partial \Omega }$ $\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S} ={\frac {1}{\varepsilon _{0}}}\iiint _{\Omega }\rho \,\mathrm {d} V$	$\nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}$
Νόμος του Γκάους για το μαγνητισμό	{\\scriptstyle \\partial \\Omega }"},"integrand":{"wt":" $\\mathbf{B}\\cdot\\mathrm{d}\\mathbf{S} = 0$ "}},"i":0}}]}" id="mwiA" style="text-wrap-mode: nowrap;" typeof="mw:Transclusion"> $\oiint$ ${\scriptstyle \partial \Omega }$ $\mathbf {B} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S} =0$	$\nabla \cdot \mathbf {B} =0$
Εξίσωση Μάξγουελ–Φαραντέι (νόμος της επαγωγής του Φαραντέι)	$\oint _{\partial \Sigma }\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=-{\frac {d}{dt}}\iint _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S}$	$\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$
Κλιμακωτός νόμος του Αμπέρ (με την προσθήκη του Μάξγουελ)	$\oint _{\partial \Sigma }\mathbf {B} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=\mu _{0}\iint _{\Sigma }\mathbf {J} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S} +\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {d}{dt}}\iint _{\Sigma }\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S}$	$\nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\left(\mathbf {J} +\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}\right)$
Όπου: Ε είναι το ηλεκτρικό πεδίο , $B$ είναι το μαγνητικό πεδίο , $J$ είναι η πυκνότητα ρεύματος , $ρ$ είναι η συνολική πυκνότητα φορτίου , $0"}},"i":0}}]}" id="mwqQ" style="font-family: "Times New Roman", "Nimbus Roman No9 L", Times, serif; font-size: 18.88px; text-wrap-mode: nowrap;" typeof="mw:Transclusion"> ε 0$ είναι η διηλεκτρική σταθερά (permittivity) του κενού , $0"}},"i":0}}]}" id="mwrA" style="font-family: "Times New Roman", "Nimbus Roman No9 L", Times, serif; font-size: 18.88px; text-wrap-mode: nowrap;" typeof="mw:Transclusion"> µ 0$ είναι η μαγνητική διαπερατότητα (permeability)του κενού , και στις ολοκληρωτικές εξισώσεις, $Ω$ δηλώνει έναν όγκο , και ∂ Ω είναι η κλειστή επιφάνεια που τον περικλείει, με την κανονική κατεύθυνση από μέσα προς τα έξω $d V$ δηλώνει ένα διαφορικό στοιχείο όγκου του $Ω$ , $Σ$ δηλώνει μία μη-κλειστή επιφάνεια (με την υπόθεση ότι είναι ανεξάρτητη του χρόνου), $d S$ δηλώνει ένα διαφορικό διανυσματκής περιοχής στοιχείο του $\partialΩ$ ή $Σ$ , παράλληλο προς την κανονική επιφάνεια, και $\partialΣ$ είναι ο κλειστός βρόχος που κυκλοφορούν γύρω από την $Σ$ , αριστερόστροφα (σύμφωνα με το $d S$ ).

Η έννοια του δυναμικού ηλεκτροδίου

Η έννοια του δυναμικού ηλεκτροδίου. Ας εξετάσουμε τις διαδικασίες που συμβαίνουν όταν ένα μέταλλο βυθίζεται σε ένα διάλυμα των δικών του ιόντων. Τα μέταλλα έχουν κρυσταλλική δομή. Στους κόμβους των πλεγμάτων υπάρχουν άτομα ιόντων που βρίσκονται σε ισορροπία με ελεύθερα ηλεκτρόνια [σελ.184]

Η έννοια των δυναμικών ηλεκτροδίων. Σύμφωνα με τις σύγχρονες ιδέες, τα άτομα ιόντων βρίσκονται στους κόμβους των κρυσταλλικών πλεγμάτων μετάλλων, τα οποία βρίσκονται σε ισορροπία με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια [σελ.228]

Η έννοια του δυναμικού ηλεκτροδίου, οι κανόνες για το συνδυασμό δυναμικών ηλεκτροδίων και αντιδράσεων σε ημιστοιχεία εξετάζονται στο [38]. [σελ.24]

Η τιμή του δυναμικού του ηλεκτροδίου στη γενική περίπτωση δεν συμπίπτει ούτε με το δυναμικό Nernst, ούτε με τη διαφορά μεταξύ των δυναμικών Nernst του μετάλλου και του ηλεκτροδίου H+/H2, P1, αφού περιλαμβάνει και το δυναμικό επαφής μεταξύ αυτού του μετάλλου και της πλατίνας. Η έννοια του δυναμικού του ηλεκτροδίου είναι επομένως πιο περίπλοκη από την έννοια του δυναμικού άλματος μεταξύ του ηλεκτροδίου και του διαλύματος και δεν μπορεί να αναχθεί σε αυτό. Η λεγόμενη φυσική θεωρία των ηλεκτροχημικών συστημάτων, που διατυπώθηκε από τον Βόλτα στις αρχές του περασμένου αιώνα, έδωσε ιδιαίτερη θέση στην επαφή μεταξύ δύο ανόμοιων μετάλλων. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, το ηλεκτροχημικό σύστημα θεωρείται ότι είναι ίσο με το βολτα-δυναμικό μεταξύ δύο ανόμοιων μετάλλων και το άλμα στο βολτα-δυναμικό μεταξύ του μετάλλου και του διαλύματος θεωρείται ότι είναι μηδέν. Η εμφάνιση ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό σύστημα εξηγείται ως εξής. Εάν δύο διαφορετικά μέταλλα έρθουν σε άμεση επαφή (Εικ. 25, α), τότε η ισχύς του ηλεκτροδίου δεν θα προκύψει, αφού [σελ.201]

Η έννοια των δυναμικών ηλεκτροδίων. Σύμφωνα με τις σύγχρονες ιδέες, τα μέταλλα είναι θετικά φορτισμένα ιόντα και ηλεκτρόνια σθένους κοινά σε αυτά, τα φορτία ιόντων εξισορροπούνται από φορτία ηλεκτρονίων.

Γενικά, το δυναμικό του ηλεκτροδίου δεν συμπίπτει με το δυναμικό nern, ούτε με τη διαφορά μεταξύ των δυναμικών nern του μετάλλου και του ηλεκτροδίου H+ Ng, P1, αλλά περιλαμβάνει επίσης το δυναμικό επαφής μεταξύ του μετάλλου και της πλατίνας. Η έννοια του δυναμικού του ηλεκτροδίου είναι επομένως πιο περίπλοκη από την έννοια του δυναμικού άλματος μεταξύ του ηλεκτροδίου και του διαλύματος και δεν μπορεί να αναχθεί σε αυτό. Η λεγόμενη φυσική θεωρία των ηλεκτροχημικών συστημάτων, που διατυπώθηκε από τον Βόλτα στις αρχές του περασμένου αιώνα, έδωσε ιδιαίτερη θέση στην επαφή μεταξύ δύο ανόμοιων μετάλλων. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, το ηλεκτροχημικό σύστημα θεωρείται ότι είναι ίσο με το γαλβανικό δυναμικό δύο μετάλλων

\mathbf {F} =q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} ),

όπου

F είναι η δύναμη (σε Νιούτον)

E είναι το ηλεκτρικό πεδίο (σε Βολτς προς μέτρα)

B είναι το μαγνητικό πεδίο (σε Βέμπερς προς μέτρα στο τετράγωνο, ή ισοδύναμα, Τέσλα)

Η έννοια του δυναμικού ηλεκτροδίου

Επαφή