热学 教学课件-第四章 气体内的输运过程.pptVIP

hhyxmm01@163.com 一、粘滞现象的宏观规律 二、 扩散现象的宏观规律 三、 热传导现象的宏观规律 §3. 输运过程（transport process）的微观解释 输运：首先是气体分子的热运动 另一个重要原因就是分子间的碰撞。 * 第四章 气体内的输运过程 一、气体分子的平均自由程 二、输运过程的宏观规律 三、输运过程的微观解释 §1. 气体分子的平均自由程 碰撞在分子运动中是个最活跃的因素， 它在气体动理论中占有重要地位： 非平衡 平衡 碰撞 一. 平均碰撞频率与平均自由程的定义 平均次数。 ? 平均碰撞频率(mean collision frequency) 单位时间内一个气体分子与其它分子碰撞的 平均自由程（mean free path） 气体分子在相邻两次碰撞间飞行的平均路程。 二. 平均碰撞频率与平均自由程的关系 理想气体，在平衡态下，并假定： （1）只有一种分子； （2）分子可视作直径为 d 的刚球； （3）被考虑的分子以平均相对速率 运动， 其余的分子静止。 ? — 碰撞截面 （collision cross-section） 碰撞夹角? 有各种可能（0 — 180?） 中心在? 扫过的柱体内的分子都能碰撞 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2d d n ? 三 . 平均自由程与压强、温度的关系 1 ～7×10-8 10-7 ～0.7（灯泡内） 10-11 ～7×103（几百公里高空） T = 273K： p(atm) (m) 求： 记住数量极 解： T = 273K、 p = 1atm [例] O2，d ? 3.6×10-10m， 已知： 为何多原子分子在碰撞中能看成球形？ 说明： 在 T = 300K 时： 气体 J (10 -46 kgm 2 ) ) ( 1 - s w CO 2 1.45 5.34 × 10 12 H 2 0.0407 × 10 13 3.19 O 2 1.94 × 10 12 4.62 2 N 1.39 × 10 12 5.45 ? 分子在碰撞中可视为球形 §2. 输运过程（transport process） 非平衡态下气体各部分性质不均匀。 热运动+碰撞 ? ?、p、m 的迁移 （内迁移、输运过程） 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。 2、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） 4、牛顿黏性定律 B C 为粘度（粘性系数） 它的单位是P(泊), 1P=1N.s.m-2 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。 例1 解： 外桶的线速度 夹层流体的速度梯度 M B A R+δ ω L R 黏性力对扭丝作用的合力矩： 所以，气体的黏度为： 5、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。 1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密度高的地方迁移到数密度低的地方的现象称为扩散。 互扩散：发生在混合气体中，由于各成分的气体空间分布不均匀，各成分分子均要从高密度区向低密度区迁移的现象。 自扩散：是互扩散的一种特例 2菲克定律 物理意义 在一维（如z方向扩散的）粒子流密度JN与粒子数密度梯度dn/dz成正比。 若JN处处相等，则： 这里D为扩散系数，单位m2s-2, 扩散系数的大小表征了扩散过程的快慢。 例 2 L A v CO, p0 N2, p-p0 N2, p LAV 两个体积都是V的容器用长为L，横截面积很小（LAV）的水平管道联通，开始时左边容器冲有压强为p0的CO和压强为P－P0的氮气组成混合气体，右边有压强为P的氮气。设扩散系数都为D，求左边容器中CO的分压强随时间变化的函数关系？ 1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： 傅立叶定律 例 3 一半径为b的长圆柱形中，沿其轴线上有一根半径为a，单位长度电阻为R的导线，圆筒维持在恒温下，里面冲有被测气体，当金属导线内有一小电流I通过时，测出导线与容器壁间的温差为 ,假定此时已达稳态传热，试问待测气体的热导率为多少？ 一