热力学第四章气体内的输运过程

1、第四章气体内的输运过程前面讨论的都是气体在平衡状态下的性质。实际上，许多问题都牵涉到气体在非平衡态下的变化过程。当气体各处不均匀时发生的扩散过程，温度不均匀时发生的热传导过程，以及各层流速不同时发生的粘滞现象等等都是典型的非平衡态趋向平衡态的变化过程，称为输运过程。研究输运过程必须考虑到分子间相互作用对运动情况的影响，即分子间的碰撞机构。2013-7-23崎山苑工作室1第四章气体内的输运过程2013-7-23崎山苑工作室24.1气体分子的平均自由程（mean free path）分子相互作用的过程。1. 分子碰撞a. 频繁地与其他分子相碰撞，分子的实际运动路径是曲折无规的。b. 正是碰撞，使得

2、气体分子能量按自由度均分。c. 在气体由非平衡态过渡到平衡态中起关键作用。d. 气体速度按一定规律达到稳定分布。e. 利用分子碰撞，可探索分子内部结构和运动规律。f .在研究分子碰撞规律时，可把气体分子看作无吸引力的有效直径（两分子质心间最小距离平均值）为d的刚球。2013-7-23崎山苑工作室3平均碰撞频率：在一定的宏观条件下，一个气体分子在单位时间内受到的平均碰撞次数，用Z若t则分子运动平均自由程为2013-7-23崎山苑工作室平均自由程和碰撞频率的大小反映了分子间碰撞的频繁程度。在分子的平均速率一定的情况下，分子间的碰撞越频繁，则碰撞频率越大，平均自由程越小。平均自由程和碰撞频率的大小是

3、由气体的性质和状态决定的。2013-7-23崎山苑工作室5少分子相碰假设：其他分子静止不动，只有分子A在它们之间以平均相对速率u运动。u=2v分子A的运动轨迹为一折线以A的中心运动轨迹为轴线，以分子有效直径d为半径，作一曲折圆柱体。凡中心在此圆柱体内的分子都会与A相碰。2013-7-23崎山苑工作室6体积为u，t设气体分子数密度为n。则中心在此圆柱体内的分子总数，亦即在t时间内与A相碰的分子数为nut。在标准状态下，多数气体平均自由程10-8m，只有氢气约为10-7m。一般d10-10m，故>>d。可求得109/秒。每秒钟一个分子竟发生几十亿次碰撞！2013-7-23崎山苑工作室例

4、题求氢在标准状态下，在1s 内分子的平均碰撞次数。已知氢分子的有效直径为210-10m。解:按气体分子算术平均速率公式算得v=v=8RT8RT88.312733m/s=1.7010m/s-33.142105按公式p=nkT可知单位体积中分子数为p1.01310-325-3n=m=2.6910m-23kT1.38102732013-7-23崎山苑工作室912-10251.4143.142102.6910273=2.1010m-71.7010-19-1=s=8.1010s-72.1010即在标准状态下，在1 s内分子的平均碰撞次数约有80亿次。2013-7-23崎山苑工作室10312-10251.

5、4143.142102.6910273=2.1010m-71.7010-19-1=s=8.1010s-72.1010即在标准状态下，在1 s内分子的平均碰撞次数约有80亿次。2013-7-23崎山苑工作室1134.2输运过程的宏观规律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。最简单的非平衡态问题：不受外界干扰时，系统自发地-输运过程。介绍三种输运过程的基本规律：粘滞（内摩擦）2013-7-23热传导扩散12崎山苑工作室解释：B 盘转动因摩擦作用力带动周围的空气层，这层又带动邻近层，直到带

6、动A 相互作用力称为内摩擦力，或粘滞力。2013-7-23崎山苑工作室13du流速不均匀，沿z 变化（或有梯度）,流速梯度牛顿第三定律。比例系数称为粘滞系数（或粘度），2013-7-23duS实验证明：f=± dzz0崎山苑工作室±表示粘性力成对出现,满足牛顿第三定律。14测定实验2013-7-23崎山苑工作室152. 热传导现象dTdQ=- dSdtdzz0负号“-”表示热从温度高处向温度低处传递，为导热系数。2013-7-23崎山苑工作室163. 扩散现象两种物质混合时，如果其中一种物质在各处的密度不均匀，这种物质将从密度大的地方向密度小的地方散布，这种现象叫扩散现象设

7、沿z方向有密度梯度，实验指出，单位时间内通过垂直于z轴的某面传递的质量与该出的密度梯度成正比，与该面面积成正比，即：ddM=-D dSdtdzz0dM负号“-”表示质量从密度高处向密度低处传递，与密度梯度方向相反，D为扩散系数。2013-7-23崎山苑工作室173. 扩散现象两种物质混合时，如果其中一种物质在各处的密度不均匀，这种物质将从密度大的地方向密度小的地方散布，这种现象叫扩散现象设沿z方向有密度梯度，实验指出，单位时间内通过垂直于z轴的某面传递的质量与该出的密度梯度成正比，与该面面积成正比，即：ddM=-D dSdtdzz0dM负号“-”表示质量从密度高处向密度低处传递，与密度梯度方向

8、相反，D为扩散系数。2013-7-23崎山苑工作室184.3输运过程的微观解释分子的热运动虽然是气体内输运过程的一个重要因素，但却不是唯一的主要因素。在研究输运过程时，我们还必须注意到另一个因素，即分子间的碰撞。分子间的碰撞越频繁，分子运动所循的路线就越曲折，分子由一处转移到另一处所需的时间就越长。所以，分子间相互碰撞的频繁程度直接决定着输运过程的强弱。2013-7-23崎山苑工作室19一粘滞现象的微观解释气体动理论的观点（微观上）认为，这种粘滞力是动量传递的结果。气体既做整体运动,又做分子热运动。同一时间，平均来看，有等量的气体分子从上、下两个方向穿过P面，这些分子既带有热运动的能量和动量，

9、还带有定向运动动量。由于上层分子动量大于下层，故上层定向动量减少，下层定向动量增加，类似摩擦力。定向动量在垂直于流速的方向上向流速较小的气层的净迁移，这就是气体粘性的起源。2013-7-23崎山苑工作室20在时间dt内，沿z轴正方向输运的总动量dK等于A、B微观推导与粘滞力情况相似，只是动量换成平均动能2013-7-23崎山苑工作室因为气体的定容热容量为：C=NkdT2'vCdU(t+r+2s)=Nk(2)定容比热为：cv=MdT2M由（1）、（2）两式，得：'v2013-7-23崎山苑工作室23四理论结果与实验的比较1=2n1/21.，和D与气体状态参量的关系8kT=mnv=

10、mpn=kT114kmT=v=33114kmT=vcv=cv331/22013-7-23114km114kTD=v=33n3mp崎山苑工作室33/225在一定的温度下，粘滞系数和导热系数与压强p或单位体积内的分子数n无关；扩散系数D与p或n成反比。在一定的压强下，、和D都随温度T的升高而加大；和与T1/2成正比，D与T3/2成正比。根据实验结果，当T升高时，、和D的增大都比理论预期的结果更加明显；和约与T0.7成正比，D约与T1.75至T2成正比。小结：1.温度越高，扩散越快；压强越低，扩散越快因为温度升高，速度增大，所以扩散快；压强降低，分子的平均自由程增大，则碰撞减少，所以扩散快2.分子质

11、量越小，扩散越快（化学上利用这一原理分离同位素）2013-7-232.，和D之间的关系=cv=1cvD1D=1根据实验结果，/cv介于1.3到2.5之间，D/介于1.3到1.5之间，具体的数值因气体的不同而异。理论值与实验值出现了较大的偏差在于理论中未考虑分子按速率分布。2013-7-23崎山苑工作室27例试估算在15°C时氮气的粘滞系数，氮分子而2810-26m=kg=4.610kg236.0210-3-5-2代入数值得：1.1×10N·s·m实验测得在15°C时氮气的粘滞系数为1.73×10-5N·s·m-22

12、013-7-23崎山苑工作室28五低压下的热传导和粘滞现象导热系数与粘滞系数与压强p无关的结论，仅在常压下成立。实验指出，当气体的压强很低时，和都与p成正比。如图，当两板间压强很低，致使分子间的平均自由程等于或大于l时，气体热传导的机构将发生变化。因为平均自由程等于或大于l，所以气体分子将无碰撞地往返于两板之间。当压强降低时，参与运输能量的分子数减少，则气体的导热系数降低。杜瓦瓶原理：低压下气体导热性随压强的降低而减弱。2013-7-23崎山苑工作室29小结：迁移过程有明显的单方向性：1.扩散只能沿高密度区向低密度区方向进行；2.热量只能自动地从高温区域向低温区域传递；3.气体只能自动地膨胀。

13、过程的单方向性的存在，是分子热运动现象的特征描述这一特征用物理量“熵”2013-7-23崎山苑工作室30小结：迁移过程有明显的单方向性：1.扩散只能沿高密度区向低密度区方向进行；2.热量只能自动地从高温区域向低温区域传递；3.气体只能自动地膨胀。过程的单方向性的存在，是分子热运动现象的特征描述这一特征用物理量“熵”2013-7-23崎山苑工作室314.4真空的获得与测量一、真空（vacuum）的获得真空泵（或称抽气机）的性能一般用下列两个量来描述：（1）抽气速率：单位时间内从被抽容器内抽出气体的体积；（2）极限真空度：在一封闭容器中所能达到的最高真空度。能够直接在大气压下工作的真空泵称前级泵；需要在一定的真空条件下才能工作，进一步提高真空度的真空泵称为次级泵。常用的真空泵有：机工泵（最常用的前级泵）、扩散泵、涡轮分子泵、吸气剂泵和低温吸附泵2013-7-23崎山苑工作室32二、真空的测量测量真空度的量具称为真空计。真空计分绝对真空计和相对真空计。前者可通过其本身所测得的物理量直接求出气压的大小，而后者必须经过绝对真空计的较正才能测