可以把方程想象成一种广义的势梯度(Ui/x)和广义电导率Li的欧姆定律的推广。也就是说,一个系统离开平衡态越远,它朝向平衡态的移动也越快。同时也应看到,上边的方程只是描述了在一个方向上变化的势梯度,推广到三维空间是不困难的,为了明确起见,在三维情况下梯度和流均要写成向量的形式。
在叙述如扩散那样的输运过程之前,还应考虑一个更为一般的问题:我们很少直接测量流的大小,因为在许多情况下那是不现实的。代之直接测定流的方式是,研究系统内部不同位置处浓度随时间的变化。这样就把流的研究同浓度的变化联系起来。我们可以参考图16-2。
按照普遍遵守的质能守恒定律,在图16-2的均匀截面A,依照所给定的方向上发生了流。在时间间隔△t内,对于x与x+△x之间,该单元体积内的浓度是如何变化的呢?一般情形下,假定在不同点的流Ji可能是不同的,因而在所划定的这个体积内,溶质质量的净改变(△Wi)必然由流入的Ji(x)减掉流出的Ji(x+△x)而获得,并分别乘以面积A和时间间隔△t,即
△Wi=Ji(x)A△t-Ji(x △x)A△t (16.6)
图16-2 连续性方程的表达
若使用该体积相除,即可得到浓度的变化△Ci:
进行重组后,得到
当增量趋于无限小时,得到一个连续的微分方程:
这样看来,全部过程将由输入流和输出流的速率去控制。传输过程中的平流方式与扩散方式总是并存的,但是由于平流方式比较单纯,作用也没有扩散那样大,因而研究者们总是更加注重扩散方式的表达。但无论怎样,这两种方式共同遵守着质能守恒的统一原则。这个守恒方程,在给定的空间内,表达成能量或物质的输入与输出分别越过该空间边界的总改变,其数学形式的基本原则如图16-3所示。
图16-3上的I1和I2,为整个时间间隔△t内的物质输入;Q1和Q2为该时间间隔△t内的输出;τ为在这个时间间隔内,物质或
图16-3质能守恒的基本图式
能量在该划定空间内的表现,并以增量或减量的形式被纳入考虑之中,这样:
△M=I1 I2-Q1-Q2±τ
式中△M为在△t时间间隔内,该空间内物质或能量的总改变。随着时间t的变化,可以写成
在式子的左边,表达了在时间间隔△t中物质或能量改变的平均速率。在此式基础上,很有必要考虑质能输运过程的不同方式,尤其是要考虑其中的扩散方式。
所谓平流方式,是指物质、能量通过空间时的一种运动形式。它是通过把这些物质或能量在介质中,即在地理环境中作为悬移质或溶解质等形式,随着流体介质一道运动的那一类形式。空气和水均可作为流体介质,有时就连固体的移动也可作为在广延意义上的流体介质,于是平流方式事实上就是指被介质所挟带的研究对象(能量或特定的物质)随着介质以相同速率被携运的过程。如果假定流进入的截面积为A,在介质中研究对象的浓度为Ci(在进入断面处),而当时断面处的介质流动速度为u,则以平流方式输入到系统的物质流为: