第三章 气体内的输运过程.ppt

热学 第三章 气体内的输运过程 制备 N0 个分子所组成的分子束，分子束中的分子恰好在同一地点 x = 0 处刚被碰过一次，以后都向 x 方向运动。分子束在行进过程中不断受到背景气体分子的碰撞，使分子数逐渐减少。 2-1 黏性现象的宏观规律 2-2 扩散现象的宏观规律 一、自扩散与互扩散 当物质中粒子数密度不均匀时，由于分子的热运动使粒子从数密度高的地方迁移到数密度低的地方的现象为扩散。 互扩散是发生在混合气体中，自扩散是互扩散的一种特例。它是一种使发生互扩散的两种气体分子的差异尽量变小，使它们相互扩散的速率趋于相等的互扩散过程。 D12 为“1”分子在“2”分子中作一维互扩散时的系数。△M 为输运的“1”质量数。 三、气体扩散（diffusion）的微观机理 扩散是在存在同种粒子的粒子数密度空间不均匀的情况下，由于分子热运动所产生的宏观粒子迁移或质量迁移。 它与流体由于空间压强不均匀所产生的流体流动不同，后者是由成团粒子整体定向运动产生。 2-3 热传导现象的宏观规律 当系统与外界之间或系统内部各部分之间存在温度差时就有热量的传输，这称为热传递。热传递有热传导、对流与辐射三种方式。 二、热传导的微观机理 热传导是由于分子热运动强弱程度（温度）不同所产生的能量传递。在空间交换分子对的同时交换了具有不同热运动平均能量的分子，因而发生能量的迁移。 §3 气体输运系数的导出 输运过程都是较简单的近平衡非平衡过程，空间宏观不均匀性都不大。分子经过一次碰撞后就具有在新碰撞地点的平均动能、平均定向动量和平均粒子数密度。 由于气体分子间平均距离足够小，气体是足够的稀薄，但又不是太稀薄。 §3-9 稀薄气体的输运过程 一、稀薄气体的特征 考虑到输运现象中分子与器壁碰撞时也会发生动量和能量的传输。一般情况下，分子在单位时间内所经历的平均碰撞总次数应是分子与分子及分子与器壁碰撞的平均次数之和。即 κ与κ′的差别在平均自由程上：超高真空气体的分子碰撞主要与器壁发生碰撞，平均自由程由λm-w 决定，而常压下气体的碰撞主要发生于分子之间，平均自由程为λ。 在一定温度下，极稀薄气体传递的热量与压强成正比。真空度越高，绝热性能越好。利用这种热传导性质可制成热导式真空计。 小 结 四、三种输运现象的共性 宏观上，各种输运现象的产生都由于气体内部存在某种物理量的不均匀性。各种相应物理量的输运方向都倾向于消除不均匀性，直到这种不均匀性消除（梯度为零），输运过程才停止，系统由非平衡态到达平衡态。 微观上，发生输运过程的内在原因：首先是分子的无规则运动。其次是输运过程的快慢还决定于分子间碰撞的频繁程度。 五、气体分子碰撞及自由程 2、气体分子平均自由程 六、气体分子碰撞的概率分布 π n d = 1 2 2 λ z = v π kT P 2 = 2 d 1、分子间平均碰撞频率的计算 七、气体输运系数的导出 1、气体的黏性系数 2、气体的热传导系数 3、气体的扩散系数 八、稀薄气体的输运过程 1、稀薄气体的特征 2、稀薄气体中的热传导现象 输运过程 最简单的非平衡态问题：不受外界干扰时，系统自发地从非 平衡态向物理性质均匀的平衡态过渡过程 --- 输运过程 系统各部分的物理性质，如流速、温度或密度不均匀时， 系统处于非平衡态。 非平衡态问题是至今没有完全解决的问题， 理论只能处理一部分，另一部分问题还在研究中。 介绍三种输运过程的基本规律： 黏性现象 热传导 扩散 氮气分子在270C时的平均速率为476m.s-1. 矛盾 气体分子热运动平均速率高， 但气体扩散过程进行得相当慢。 克劳修斯指出：气体分子的速度虽然很大，但前进中要与其他分子作频繁的碰撞，每碰一次，分子运动方向就发生改变，所走的路程非常曲折。 气体分子平均速率 一、平均碰撞频率和平均自由程 在相同的?t时间内，分子由A到B的位移大小比它的路程小得多 扩散速率 (位移量/时间) 平均速率 (路程/时间) 分子自由程: 气体分子两次相邻碰撞之间自由通过的路程。 分子碰撞频率: 在单位时间内一个分子与其他分子碰撞的次数。 大量分子的分子自由程与每秒碰撞次数服从统计分布规律。可以求出平均自由程和平均碰撞次数。 假定 每个分子都是有效直径为d 的弹性小球。 只有某一个分子A以平均速率 运动，其余分子都静止。 平均碰撞次数 A ? d d d v v 四、斯托克斯定律 五、非牛顿流体