基础物理学-气体中输运现象的微观解释

气体中输运现象的微观解释■输运过程中的流输运过程：在孤立系统中，非平衡态平衡态的过程自发地目的：推导黏性系数η、传导率κ

、扩散系数D的表示式黏性现象：流速不均匀→动量传递→动量流热传导现象：温度不均匀→热量传递→热量流扩散现象：密度不均匀→质量传递→质量流概括：宏覌物理量不均匀(梯度)→相应物理量Qp传递→相应流J分子热运动和碰撞实现流J与梯度成正比一般性分析：Δt内穿过ΔS的分子数:因热运动→六个方向均等每个分子携带物理量q,单位时间内A向B传递物理量为：等物理量面物理量Qp(z)梯度方向n大n小■黏性、热传导及扩散现象的微观解释一般：黏性现象：每个分子携带动量q=mu→动量流Jp=黏性力fv∴流体黏性系数：密度热传导现象：每个分子携带能量q=ε→热流(能量流)J=Φ气体的比定体热容(即单位质量定体热容):∴热传导系数：一个分子升高1K吸收热量mcV

。温度T时,一个分子能量:m:分子质量扩散现象：每个分子携带的物理量是分子质量q=m→质量流J∴扩散系数：气体中输运现象的本质：

当某宏观物理量在空间分布不均匀时，气体分子的热运动引起相邻部分间交换分子时交换了相应的物理量，从而形成相应的流。黏性系数η、传导率κ、扩散系数D与宏观量的关系已知：气体满足条件：黏性系数η、传导率κ、扩散系数D三者之间的关系易证(自证)：可见，三者中只有两个是独立的。对于容器内极稀薄气体，应取(容器的线度)易证(自证)：实验表明：上述分子动理论属近似正确。§3.4布朗运动及其引起的扩散▲布朗运动的理论描述(爱因斯坦工作,1908)1827布朗运动布朗运动的本质：大量液体分子无規则地撞击布朗粒子，使其作无規则运动。力学分析：不妨设布朗粒子受一种无规策动力F(t)作用，另外还受到黏性液体的黏性阻力作用，其黏性阻力为：布朗粒子的运动方程：(朗之万方程)解：考虑x方向分量,方程为:a和v分别为布朗粒子半径和速度(斯托克斯定律)大群颗粒的方程相加，然后用总颗粒数除，求平均如下：两端同乘x并整理得：因其值可正可负,涨落不定,所以平均为零；视布朗粒子为巨分子，由能量均分定理方程解为：C1和C2是积分常数，由初始条件确定一般粒子参数：a和ρ分别为布朗粒子半径和密度所以有：式中：不妨假设x从原点算起即有：C2=0这是爱因斯坦的理论结果。称D为爱因斯坦扩散系数。佩兰(法)用实验证实了此结果和其它三实验,于1926年获诺贝尔物理学奖。▲布朗粒子的扩散举例生命体系：人呼吸氧气→进入肺泡中→氧扩散→进入毛细血管中→供氧血液中氧与碳氢化合物反应→生成CO2扩散→进入肺泡中→呼出放热反应→给人体提供能量人体获得能量过程：吃食物有葡萄糖等→糖酵解→产生高能的ATP(三磷酸腺苷)化合物→ATP水解产生能量→驱动某有机物磷酸化反应→其生成物不稳定→易与O2、NH3等进行放热反应→提供能量糖酵解过程：一分子葡萄糖经十个反应步骤产生两个ATPATP(三磷酸腺苷)分子结构图和水解:ATP(三磷酸腺苷)水解释放能量:ATP的三磷酸尾部不稳定，未端的磷酸基团可被水解，ATP失掉一个磷酸基团成为二磷酸腺苷(ADP)及无机磷酸根(Pi)，同时放出能量。在标准状态下，1克分子ATP水解可释放出30.54kJ/mol的能量。其化学反应式如下：ATP(三磷酸腺苷)水解释放能量之原因:

由它的结构特点决定的。P带有负电荷，三个P所携带的负电荷集中于一处，相同电荷之间的排斥，使ATP处于不稳定状态，趋向于放出能量变成稳定状态。在酶的作用下ATP将P给予其它分子，被磷酸化的分子产生变化而做功。例如：

★将P转到细胞膜的运输蛋白上,可驱动其主动运输；

★将P转到运动分子上，可驱动其机械运动；

★将P转到反应物上，可驱动化学合成；例如：细胞内谷氨酸转变为谷氨酸胺的吸能反应如下：谷氨酸+ATP水解→谷氨酸-P+ADP其能量可供细胞其它过程使用，或以热的形式释放，有机体可