2013年地空学院热学课件courseware

1、热学宋国利教授哈尔滨学院物理系第一节近平衡态的输运过程第二节输运过程的微观机制第三节生命热力学与生态环境第五章 非平衡态过程 热学教学目标了解近平衡态的输运过程特征掌握输运过程的实验定律和输运过程的气体动理论了解稀薄气体的输运特征生命热力学生命与生态环境的热学基本知识热学1非平衡态气体内迁的热导率计算大学物理，2005，2参考文献2混合气体输运系数的推导大学物理，2005，63牛顿冷却定律适用范围的探讨大学物理，2000，54生命生态环境与熵大学物理，2000，105由麦克斯韦速率分布和自由程分布导出内摩擦系数 大学物理，2004，2热学第一节近平衡态的输运过程1输运过程近平衡态在平衡态附近的

2、一种非平衡态，不均匀程度较弱，引起的输运过程呈线性关系热学输运过程在外界影响作用下，系统的某种宏观物理量空间分布不均匀，存在梯度，进而使系统产生某种宏观物理量的输运外界影响是系统保持局域间稳定的不均匀性的条件，也是系统进行输运过程的前提 弛豫过程系统在外界影响下偏离平衡态时，通过分子间碰撞以及分子热运动使系统趋向平衡态，系统由一平衡态变化到另一平衡态2输运过程的实验定律 Newton黏滞定律P = -(du/dz)zSt f(z) = -(du/dz)zS x zu = u (z)dSdf df热学AB第一节近平衡态的输运过程流体的黏滞系数大小与材料有关，并依赖温度的变化气体的黏度随温度升高而

3、增加，液体的黏度随温度升高而减少物质空气水蒸气水轻机油t/20671010002015/10-5Pas1.824.00.91.271.791.0111.3热学非牛顿流体血液、泥浆、橡胶、油漆、沥青第一节近平衡态的输运过程例题1外桶的线速度夹层流体的速度梯度MBAR+LR黏性力对扭丝作用的合力矩：热学第一节近平衡态的输运过程热学第一节近平衡态的输运过程斯托克斯（Stokes）定律云、雾中的水滴 Fourier 热传导定律Q = -(dT/dz)zStH = - (dT/dz)zS 物质空气水Cu玻璃松木石棉t/-742702020203027k/W/mK0.0180.0240.5610.6043

4、860.780.110.04热学第一节近平衡态的输运过程例题 2 一窗户玻璃的面积为2m2，厚为0.5cm。北方冬季夜晚室内的温度为20，室外的温度为20，玻璃的热导率约为=0.78 J m-1s-1K-1，计算一下12小时内通过窗玻璃的热量是多少？整个系统（房屋和环境）的熵增加多少? 我们假设墙壁是绝热的 热学第二节输运过程的微观机制(dT/dz) 8000K/m Q = 5.4x108J T1293K，T2253K S S1S2QT1Q/T22.7 x105JK Q = -(dT/dz)z S t Fick 扩散定律J = - D(d/dz)zSM = -D(d/dz)zSt热学第一节近平

5、衡态的输运过程1平均自由程和碰撞频率第二节输运过程的微观机制热学Addduu例题 3 电子管的真空度约为1.0 x105mmHg，设气体分子的有效直径为3.0 x1010m，计算常温下单位体积内的分子数和分子碰撞频率。热学第二节输运过程的微观机制zz016v n16v nxu（z+ ）u（z - ）热学2输运过程的微观机制第二节输运过程的微观机制例题 4 估算标准状况下空气的黏性系数、热导率及扩散系数。空气平均自由程=6.9X10-8 m平均速率v=446 m/s，摩尔质量Mmol=0.029 Kg热学第二节输运过程的微观机制热学3稀薄气体的输运特征当气体压强减小时，平均自由程增大 容器尺度L

6、的限制 热导率与压强成正比 第二节输运过程的微观机制热学第二节输运过程的微观机制例题 5 圆柱状杜瓦瓶高24.0cm，瓶的夹层内外直径分别为15.0cm和15.6cm，瓶内装有冰水混合物，瓶外室温为27，大致估算一下：如果夹层内充有1atm的空气，单位时间内空气传导的热量为多少？若使瓶胆具有绝热性能，瓶胆间的压强应至少降为多少？空气的分子有效直径d为3.7x1010m、热导率为0.025J.m-1s-1K-1 S = 27.8cmx24.0cm = 0.1175m2 dT/dz = 9000K/m Q = 26.44Js Q = -(dT/dz)z S t当气体压强减小时，平均自由程增大 平均

7、自由程增大受到容器尺度L的限制 31 生命热力学开放系统与外界的能量和物质交换，使系统熵减少，形成有序结构保持远离平衡态的开放系统系统内部存在着非线性相互作用普利高津1969年提出耗散结构理论；1977年获诺贝尔化学奖热学第三节生命与生态环境耗散结构生命系统热学特征开放系统，与外界进行能量和物质交换耗散过程，伴随着热现象，熵不断增加从外界汲取低熵物质，排泄高熵物质，以保持有机体低熵状态Schrodinger在生命是什么？一书中阐述了“生命之所以能存在，就在于从环境中不断得到负熵；吃饭是为了产生负熵流” 热学第三节生命与生态环境熵的极大值意味着热平衡态对于生命，热平衡态就是死亡低熵高能物质（碳水

8、化合物）和低熵低能物质（水）高熵物质通常是CO2、汗等生命体的排泄物6CO2 + 6H2OC6H12O6 + 6O2Smol = -585.8 J/mol KHmol = 2808 KJ/molHmol0表示反应是吸热的，即生成物带有较高的化学能Smol0表示生成物是低熵物质，可以满足生命体能量和负熵的需要 热学第三节生命与生态环境2生态环境太阳是地球生态系统的负熵源泉太阳辐射作为6000K的黑体辐射地球生态系统的辐射作为T地= 253K的黑体辐射d入s /dt + d出s /dt = Q（1/T日- 1 /T地）Q为地球生态系统吸收的太阳辐射，Q为地球所受的太阳辐射，R为太阳辐射P = 1.40 x 103 W/m2Q = R2地P = 1.79 x 1017 WQ = 66% Q = 1.18 x 1017 W地球负熵流： S = - 4.47 x 1014 w/k热学第三节生命与生态环境1温室效应热学第三节生命与生态环境三大环境问题温室效应臭氧层破坏酸雨 温室效应短波辐射透入大气长短辐射被大气中二氧化碳等所吸收热学第三节生命与生态环境地球表面的平均温度为1515的黑体辐射波长的极大值在