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笫五章笫五章 气体输运过程的分子动理论基础气体输运过程的分子动理论基础1、非平衡态与非平衡态过程非平衡态与非平衡态过程2、输运过程的宏观规律输运过程的宏观规律3、输运过程的微观实质输运过程的微观实质目目 录录一一 非平衡态与非平衡态过程非平衡态与非平衡态过程 系统各部分的物理性质系统各部分的物理性质,如流速、温度或密度不均匀时如流速、温度或密度不均匀时,系统系统处于处于非平衡态非平衡态.自然界中实际发生的各种热现象过程，也都是自然界中实际发生的各种热现象过程，也都是非非平衡态过程平衡态过程，准静态过程只是理想化的、近似的特殊情况，准静态过程只是理想化的、近似的特殊情况 非平衡态问题的描述与处理要比平衡态复杂与困难得非平衡态问题的描述与处理要比平衡态复杂与困难得多，是至今没有完全解决的问题。其基本情况是多，是至今没有完全解决的问题。其基本情况是非非平平衡衡系系统统孤立系统孤立系统开放系统开放系统 0 系统更无序系统更无序 0 系统由无序转向有序系统由无序转向有序形成输运过程，系统更无序形成输运过程，系统更无序熵流熵流熵产生熵产生 对偏离平衡态不远，系统宏观性质随时空变化比较缓慢对偏离平衡态不远，系统宏观性质随时空变化比较缓慢的非平衡态系统，可采取局域平衡近似的办法对非平衡态系的非平衡态系统，可采取局域平衡近似的办法对非平衡态系统进行描述。统进行描述。当流体系统内各处流体的流速不同时，不同流速层之间会当流体系统内各处流体的流速不同时，不同流速层之间会出现切向相互作用力，这种力称为出现切向相互作用力，这种力称为粘滞力粘滞力或或内摩擦力内摩擦力。实验。实验表明表明,粘滞力遵循粘滞力遵循牛顿粘滞定律牛顿粘滞定律粘滞性流体运动过程中的现象粘滞性流体运动过程中的现象.1.粘滞现象粘滞现象理论分析，粘滞系数理论分析，粘滞系数zxou=u(z)dSBA 最最简简单单的的非非平平衡衡态态问问题题:不不受受外外界界干干扰扰时时,系系统统自自发发地地从从非平衡态向物理性质均匀的平衡态过渡过程非平衡态向物理性质均匀的平衡态过渡过程 输运过程输运过程.二、二、输运过程的宏观规律输运过程的宏观规律2.热传导现象热传导现象由于物体温差而引起的热运动能量输运的现象由于物体温差而引起的热运动能量输运的现象.实验表明，输运的热量遵循实验表明，输运的热量遵循傅里叶热传导定律傅里叶热传导定律zdSABT=T(z)理论分析，导热系数理论分析，导热系数3.扩散现象扩散现象 实验表明，输运的质量遵循实验表明，输运的质量遵循菲克扩散定律菲克扩散定律zo=(z)dSBAz0理论分析，扩散系数理论分析，扩散系数 系统粒子密度不均匀时，由于热运动而引起粒子系统粒子密度不均匀时，由于热运动而引起粒子迁移的现象迁移的现象.作为实例，用气体动理论推导气体的内摩擦公式：作为实例，用气体动理论推导气体的内摩擦公式：气体的内摩擦现象是由于分子热运动中通过气体的内摩擦现象是由于分子热运动中通过dS面交换定面交换定向动量的结果。如图所示向动量的结果。如图所示 在在dt时间内从下向上垂直时间内从下向上垂直越过越过dS面的分子数面的分子数 输运微观机制：热运动使分子带着各自的输运微观机制：热运动使分子带着各自的动量、能量、动量、能量、质量质量从一处转到另一处从一处转到另一处,这样相互这样相互“搅拌搅拌”的结果的结果,使原来使原来存在着不均匀性的气体存在着不均匀性的气体,逐渐地趋于一致逐渐地趋于一致.三、输运过程的微观实质三、输运过程的微观实质 平均而言，可以认为这些分子经历最后一次碰撞时离平均而言，可以认为这些分子经历最后一次碰撞时离dS的距离都等于平均自由程的距离都等于平均自由程 ，故在，故在dt时间内从下而上带过时间内从下而上带过dS面的定向动量为面的定向动量为同理，同一时间内从上而下带过同理，同一时间内从上而下带过dS面的定向动量为面的定向动量为两式相减，得两式相减，得dS面上方气体的定向动量增量为面上方气体的定向动量增量为 气体的热传导和扩散现象的系数微观表示式可采气体的热传导和扩散现象的系数微观表示式可采 取类似取类似的方法处理。的方法处理。内摩擦系数内摩擦系数根据牛顿笫二定律，内摩擦力根据牛顿笫二定律，内摩擦力 例：北方冬季一些天气的气温白天都为零度，晚上都例：北方冬季一些天气的气温白天都为零度，晚上都在零度以下。冬泳爱好者白天在户外游泳池破冰游泳，在零度以下。冬泳爱好者白天在户外游泳池破冰游泳，笫二天再来时水面上又结了厚度约为笫二天再来时水面上又结了厚度约为D=3.0cm的冰层。的冰层。以晚上连续时间以晚上连续时间t=10h结冰计，晚上的平均气温如何结冰计，晚上的平均气温如何?解解 如图，选垂直水面向下为如图，选垂直水面向下为x轴正轴正 向，未结冰时的自由水面为原点，向，未结冰时的自由水面为原点，考虑面积为考虑面积为dS的水面。以的水面。以dt表示冰表示冰 层厚度为层厚度为x时再结厚度为时再结厚度为dx的冰层的冰层 所用的时间，则所用的时间，则（冰熔化热冰熔化热 冰密度冰密度 热导率热导率 ）x0TTOxdxx由于水温由于水温 ，故，故两边积分得两边积分得这个结果和实际晚上温度大致相符。这个结果和实际晚上温度大致相符。本章基本要求本章基本要求1、了解非平衡态及非平衡态过程主要特征、了解非平衡态及非平衡态过程主要特征;2、掌握气体输运过程三种类型的宏观规律、掌握气体输运过程三种类型的宏观规律;3、了解气体输运过程实验规律的微观解释。、了解气体输运过程实验规律的微观解释。