热学5_气体运输过程.ppt
第五章、气体输运过程的分子动力理论基础 （ 2017-05-25）,§5.1、非平衡态与非平衡过程 §5.2、热传导与能量输运 §5.3、粘滞与动量输运 §5.4、扩散与物质输运,§5.1、非平衡态与非平衡过程,平衡态,孤立系统经足够长时间后，宏观性质趋于稳定不变。,+没有物质、能量（热量）、动量或电荷的宏观流动。,稳恒态,无外力场时，温度、压强、密度等强度量在平衡态系统内处处相等。,§5.1、非平衡态与非平衡过程,一、近平衡态非平衡过程,偏离平衡态不远的实际过程，因中间态不是平衡态而称为近平衡态的非平衡过程。本章讨论的热传导现象、粘滞现象和扩散现象即为近平衡态的非平衡过程。又因都有某一量的输运而称为近平衡态非平衡输运过程。,非平衡系统无统一强度量：,稳态：稳定的非平衡态稳定输运过程。,广延量：,局域平衡近似,§5.2、热传导与能量输运 §5.3、粘滞与动量输运 §5.4、扩散与物质输运,开放系统、非孤立系统,§5.1、非平衡态与非平衡过程,二、远离平衡态非平衡过程有序结构,孤立系统：,“有机体依赖负熵为生” What is life? （Schrodinger,1944）,开放系统：,耗散结构（Prigogine）：系统远离平衡条件下出现的稳定有序结构。,§5.2、热传导与能量输运,温度梯度热量输运,§5.2.1、热传导的实验规律,热传导的Fourier定律 （适用于各向同性的物质，包括气体、液体和固体）分析导热问题的经典理论,热流强度：,热导率：,§5.2、热传导与能量输运,§5.2.1、热传导的实验规律,一维热传 导方程：,热扩散系数：,稳恒态热流强度：,三维热传 导方程：,例1、两块相互接触的厚板，其厚度分别为L1和L2,热导系数分别为k1和k2，外表面温度分别为T1和T2 (T1T2)。在稳态条件下，计算两块板交界处的温度Ts，以及通过这个复合板的热流大小。 例2、圆筒体长L，内半径R1，外半径R2，内外半径处恒温T1和T2 (T1T2)，圆筒物质的导热系数为k，求每秒通过圆筒外传的热量。 例3、一个由岩石构成的球形小行星，位于远离太阳的星际空间，太阳及其他恒星的辐射对它没有影响。由于元素的放射性，小行星内部形成了恒定的单位质量热产生率H=12.510-11 Wkg-1。岩石的导热系数为=2.1Jm-1s-1K-1，岩石密度= 3.5103kgm-3，行星半径为R=100km。试求小行星中心温度。假设行星内部已建立稳定的温度场，可以认为远离太阳和其他恒星的星系空间温度为绝对零度。,所有的物质，不论固相、液相还是气相，均具有一定的传导热量的能力，尽管数值上相差非常悬殊。导热是物质的一种固有属性，导热是一种与原子、分子及自由电子等微观粒子的无序随机运动相联系的物理过程。,§5.2、热传导与能量输运,§5.2.2、Fourier热传导定律的微观解释（气体）,热流强度,热传导系数,平均自由程：,气体的导热：依靠相邻区域交换热运动分子，并通过不同热运动能量的分子的相互碰撞来导热。,§5.2、热传导与能量输运,§5.2.3、理论结果的物理讨论,与分子密度n，压强p无关 (被实验证实) 理论正比于T0.5，实验发现正比于T0.7 实际预期： 意义何在？,注 意！,一维热传 导方程：,§5.2、热传导与能量输运,晶体的导热：依靠晶格振动(声子)。 金属的导热：依靠自由电子的迁移 （导热系数很大）。,液体的导热：迄今为止对液体导热机理的了解仍不算很清楚，一般认为液体的导热机理与固体类似。液体中高温部分的分子振动能量较大，与附近的低温分子相互作用，把能量逐层转递。 液态金属和电解液是一类特殊的液体，它们依靠原子的运动和自由电子迁移来传导热量。,金属一般固体非金属液体气体,§5.2、热传导与能量输运,对流传热 流体宏观运动使温度不同的部分相互混合导致的热量传递现象,恒星 对流天气 暖气 冰箱 风扇,注意和热传导的区别！,热 辐 射 物质因为具有温度而辐射能量的现象,有温度就有运动，有运动就有运动改变，带电粒子的运动改变发射的电磁波。 辐射照射到一个物体上，全部被吸收，没有反射和投射，此物体称为黑体。 黑体既是理想的吸收体也是理想的辐射体，其辐射能力高于同温度的非黑体。为Stefan-Boltzmann（斯特藩-波耳兹曼）常数。 辐射谱型满足Planck 函数,宇宙微波背景辐射,§5.3.1、粘滞力的实验规律,粘滞力（内摩擦力）、粘滞性、粘滞现象 当流体各层流速不同时，在层与层之间产生相互作用力，使流速大一层减速，使流速小一层加速的现象。,粘度计：,粘滞系数：,Newton粘滞性定律,§5.3、粘滞与动量输运,§5.3、粘滞与动量输运,§5.3.2、气体粘滞现象的微观解释,粘滞力：,气体的粘滞：分子的热运动使得不同流速处的分子相互交流，从而降低不同区域的流速差异。,粘滞系数：,§5.3、粘滞与动量输运,§5.3.3、理论结果的讨论,与分子密度n，压强p无关 (被实验证实) 理论正比于T0.5，实验发现正比于T0.7 实际预期： 液体粘滞系数随着温度升高降低！,天文及其他中的粘滞,吸积盘 宇宙学流体模拟 湍流,§5.4、扩散与物质输运,为简化起见，考察分子质量m基本相同的气体的扩散过程 & d相同，e.g.,只讨论自扩散：分子质量和有效直径基本相同，无热传导，无粘滞现象。,§5.4、扩散与物质输运,单位时间内扩散通过 处横截面dS的分子数,扩散分子流密度：单位时间内通过单位横截面的分子数,“扩散系数”,Fick定律,§5.4、扩散与物质输运,一般，分子密度不单是位置的函数，还是时间的函数（孤立系统和开放系统）：,扩散方程,稳定扩散（开放系统）：n = n(z),§5.4、扩散与物质输运,§5.4.2、气体扩散现象的微观解释,热运动必然导致分子气体从高密度向低密度区域扩散（不考虑外部影响）,Fick定律量纲分析:,分子流密度,§5.4、扩散与物质输运,§5.4.3、理论结果的讨论,与分子密度n，压强p无关 P给定时，理论正比于T1.5，实验T1.75 实际预期：,气体动理论能够较好地定性说明输运过程宏观规律的本质，显示其成功一面。所出现的 与实验的偏差，原因在于没考虑分子按速率分布，把分子看作刚性球而忽略了引力以及用平衡态理论研究。,例1、证明压强与粘滞系数之比近似等于分子单位时间碰撞次数。 例2、从，和D的理论与实验差异，估计分子有效直径随着温度的变化趋势。 例3、假定太阳光度在40多亿年中增长了1.4倍，试估计地表温度变化 例4、灼热的恒星表面通过电磁辐射向外发射能量。假设其为黑体，球形。求以下恒星半径(1)参宿七，功率2.7X1032W,温度11000K (2) 南河三B，功率2.1X1023W, 表面温度10000K。 例5，某恒星光度L，求其宜居带范围,Homework (2015-06-13),Page 175-176 1；3；6; 8；10,
