输运现象与分子动理学理论的非平衡态理

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1、第三章输运现象与分子动理学理论的非平衡态理论一、黏性现象的宏观规律二、扩散现象的宏观规律三、热传导现象的宏观规律四、辐射传热五、对流传热六、气体分子平均自由程七、气体分子碰撞的概率分布八、气体输运系数的导出九、稀薄气体的输运过程教学目的和要求：1、深刻理解和掌握三种输送过程的微观机制、原因和结果，掌握相应的宏观规律。2、掌握钢球模型下的平均自由程和碰撞频率的概念，深刻理解其物理意义。3、理解描述三种输送过程的系数的统计含义和统计方法，将理论和实践相比较，了解理论的正确性和近似性。重点和难点：、是重点，输送过程的微观机

2、制和统计方法是重点和难点，物理性质不均匀的描述是难点，三个输送系数和宏观规律是重点。输运过程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，或者各部分的质量不相等，或者气体各层流速不同，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。热传导现象、扩散现象、黏性现象分子间的无规则碰撞在气体的输运过程中起着关键的作用（“搅拌”作用）1流动类型——层流和湍流层流在流动过程中，相邻质点的轨迹线彼此仅稍有差别，不同流

3、体质点的轨迹线不相互混杂，这样的流动称为层流。（管内层流时，流速由管壁处的零向轴心处逐渐增大）湍流质点除了沿着管道向前运动外，各质点还作不规则的，杂乱的运动，且彼此间相互碰撞，相互混合，质点速度的大小和方向随时发生变化，这种流型叫湍流或紊流。§3.1.1层流与牛顿黏性定律§3.1黏性现象的宏观规律52、稳恒层流中的黏性现象内摩檫现象u=u（z）上一步结束放映定义：当流体各层流速不同时，通过任一平行于流速的截面，相邻两部分流体将沿平行于截面方向互施作用力，结果使得流动慢的气层加速，使流动快的气层减速。这种相互作用力称为

4、内摩擦力，也叫做黏滞力。这种现象称为内摩擦现象，也叫做黏性现象。实际的流体都具有黏性。3、黏性现象的宏观规律6BC为黏度（黏性系数），A为流层的切面积单位：帕.秒(N.s.m-2)、泊（P）1P=0.1N.s.m-2黏度：表示单位速度梯度、单位面积上的黏性力的大小。速度梯度：若某层流体的速度为u，在其垂直距离为Δz处的邻近流体层的速度为u+Δu，则Δu/Δz在表示速度沿法线方向上的变化率，称为速度梯度.——牛顿黏性定律B、C两部分互施黏性力的大小u1U2>U1u2ffyxz0zdso由于下层中的分子携带较小的定向运动

5、动量mu1，通过dS迁移到上层中。又由于分子的碰撞，定向运动动量被均匀化，所以上层中定向运动动量减小。与此同时，上层中的分子携带较大的定向运动动量mu2，通过dS迁移到下层中，使下层中定向运动动量增大。根据动量定理:dp=fdt4、切向动量流密度dp输运的动量-：动量向流速减小的方向输运：也表示单位时间、单位面积、单位速度梯度上输运的动量。9例3.1解：外桶的线速度夹层流体的速度梯度MBAR+δωLR黏性力对扭丝作用的合力矩：所以，气体的黏度为：内桶外缘所受的黏性力大小：5、流型的判据—雷诺数对管流而言，影响流型的

6、因素有：流道的几何尺寸(管径r)、流动的平均速度v和流体的物理性质(密度ρ和粘度η)。在描述流动的特征方面，英国的雷诺1883年提出用来比较粘性流体流动状态的无量纲数，即雷诺(Reynolds)数，以Re表示。其定义为Ⅰ、当Re<2000，流体状态为层流；Ⅱ、当Re>3000，流体状态为湍流；Ⅲ、当2000

7、。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。7、气体黏性微观机理气体的黏性是由于流速不同的流层之间的定向动量的迁移所引起的。选学内容（开始）13§3.1.2泊肃叶定律管道流阻1、流量：在时间间隔内,通过流管某横截面的流体的体积为，和之比当→0时的极限，称为该横截面上的流量。若流管的各条流线平行，且横截面上各点流速相等，取与这些流线垂直的横截面，以v表示该横截面上的流速，用Q表示流量，则有流量单位:m3/s泊肃叶(Jean-Lous-MariePoiseui

8、lle1799~1869)法国生理学家他长期研究血液在血管内的流动。他发表过一系列关于血液在动脉和静脉内流动的论文。其中1840~1841年发表的论文《小管径内液体流动的实验研究》对流体力学的发展起了重要作用。他在文中指出，流量与单位长度上的压力降与管径的四次方成正比。此定律后称为泊肃叶定律。由于德国工程师G．H．L．哈根在1839年曾得到同样