高二物理竞赛输运过程的宏观规律课件

1§

1、输运过程的宏观规律(MacroscopicLawofTransportProcess)1当气体处于非平衡状态下，气体内部或者各部分的温度不相等，或者各部分的压强不相等，或者各气层之间有相对运动，或者这三者同时存在。在这些非平衡状态下，气体内部将有能量、质量或动量从一个部分向另一个部分定向迁移，这种由非平衡态向平衡态的变化过程就是气体的输运过程。黏性现象、热传导现象、扩散现象2黏性现象的宏观规律气体中各层间有相对运动时,各层气体流动速度不同,气体层间存在粘滞力的相互作用.1、层流在流动过程中，相邻质点的轨迹线彼此仅稍有差别，不同流体质点的轨迹线不相互混杂，这样的流动称为层流。32、湍流

流体的不规则运动。3、稳恒层流中的黏性现象内摩檫现象u=u（z）凡是流体都有黏滞力4气体：

当气体各层流速不均匀时，产生粘滞现象，直至各层均匀为止。

设各层平面平行,气层整体作定向运动，流速各层不均匀。(只讨论气体作稳恒层流时的黏滞现象)5模型:设系统如图，气体定向速度沿Z轴增加；u沿Z轴的变化量，称速度梯度；的意义？今在z=z0处取一平行于xoy平面的面元ΔS来讨论，研究

ΔS的受力情况；f：为ΔS上方流体对ΔS的作用力；：为ΔS下方流体对ΔS的作用力；显然，z0z1z2xyzou2u0u1(速度随空间的变化率)

越大，气层的定向流速越不均匀，粘滞现象越明显。△Sff'6今讨论f的大小；（1）实验表明:f与ΔS

成正比；（2）实验表明:f与成正比；所以，

或：…………①称流体的黏性系数或黏度，与气体性质和状态有关。单位：（SI）pa·s

。另可用P(泊),

1P=0.1pa·sBC气体的黏度随温度升高而增加，液体的黏度随温度升高而减少。7或，定义动量通量：JK的意义：单位面积、单位时间沿流层切向转移的定向动量。3、动量形式∵………②通常①或②式称牛顿黏性定律。意义？f……dK：动量输运动量沿u减小的方向输运，

粘滞现象是由于气体内部速度不均匀引起的，内部有动量的输运，直至各处速度均匀为止。对较快流层：单位时间内失去的定向运动动量；对较慢流层：单位时间内获得的定向运动动量8*非牛顿流体1、其速度梯度与互相垂直的黏性力间不呈线性函数关系，如血液、泥浆、橡胶等。2、其黏性系数会随着时间而变的，如：油漆等凝胶物质。3、对形变具有部分弹性恢复作用，如沥青等黏弹性物质。9黏性力的大小与两部分的接触面dS和截面所在处的流速梯度成正比。——牛顿黏性定律——是流体的黏性系数，单位：NSM-2，表示单位时间、单位面积、单位速度梯度上输运的动量。——是流体定向流动速率梯度在z0处之值ds——是在z0处两流体层接触面的面积。910

：与流体的性质和状态有关,可以实验测定。测定的实验装置简图：A筒保持一定的转速，B筒相应地偏转一定的角度（可由小镜反射的光线测得）；悬丝的扭转系数和B筒的半径都是已知的，可算出内摩擦力；速度梯度和面积也可以直接测得；于是，从公式可以算出内摩擦系数。小镜ABC旋转黏度计1011MBAR+δωLR例题：旋转黏度计是为了测定气体的黏度而设计的仪器,其结构如图所示。扭丝悬吊一只外径为R、长为L的内圆筒，筒外同心套上一只长亦为L、内径为R+δ的外圆筒(δ<<R),内、外筒的隔层装有被测气体。使外筒以恒定角速度ω旋转，这时内筒所受的气体黏性力产生的力矩被扭丝的扭转力矩G所平衡。G可由装在扭丝上的反光镜M的偏转角度测定。试导出被测气体的黏度表达式提示：因δ<<R

，可认为夹层内的速度梯度处处相等1112MBAR+δωLR解：外桶的线速度夹层流体的速度梯度黏性力对扭丝作用的合力矩：所以，气体的黏度为：内桶的线速度1213二.热传导现象的宏观定律热传导(heatconduction)

当系统内各部分的温度不均匀时，就有热量从温度较高的地方传递到温度较低的地方，由于温差而产生的热量传递现象。傅立叶定律傅立叶定律设为单位时间内通过的热量简称为热流，则若设热流密度为JT,则：1314温度梯度表示流体中温度沿z