气体的输运过程课件.ppt

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1、第四章气体内的输运过程气体各处密度不均匀发生的扩散过程温度不均匀发生的热传导过程各层流速不同发生的粘滞过程输运过程最简单的非平衡态问题：不受外界干扰时，系统自发地从非平衡态向物理性质均匀的平衡态过渡过程---输运过程§1气体分子的平均自由程一、分子的平均自由程和碰撞频率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。分子的有效直径：两个分子质心间最小距离的平均值，就被认为是刚球的直径。矛盾气体分子热运动平均速率高，但气体扩散过程进行得相当慢。克劳修斯指出：气体分子的速度虽然很大，但前进中要与其他分子作频繁的碰撞，每碰一次，分子运动方向就

2、发生改变，所走的路程非常曲折。在相同的t时间内，分子由A到B的位移大小比它的路程小得多扩散速率(位移量/时间)平均速率(路程/时间)气体分子两次相邻碰撞之间自由通过的路程。——单位时间内一个气体分子与其它分子碰撞的平均次数。平均碰撞频率(meancollisionfrequency)平均自由程（meanfreepath）——气体分子在连续两次碰撞之间所通过的自由路程的平均值。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

3、撞截面（collisioncross-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2ddn说明：当温度恒定时，平均自由程与压强成反比。在标准状态下，几种气体分子的平均自由程气体氢氮氧空气解：[例题]计算空气分子在标准状态下的平均自由程和碰撞频率。取分子的有效直径d＝3.5×10-10m，已知空气的平均分子量为29。已知一、粘滞现象的宏观规律§2输运过程的宏观规律现象：A盘自由，B盘由电机带动而转动，慢慢A盘也跟着转动起来。解释：B盘转动因摩擦作用力带动了周围的空气层，这层又带动邻近层，直

4、到带动A盘。这种相邻的流体之间因速度不同，引起的相互作用力称为内摩擦力，或粘滞力。流速不均匀，沿z变化（或有梯度）不同流层之间有粘滞力ABxzu=u(z)dSdf'df牛顿粘滞定律BC为气体的粘滞系数它的单位是P(泊),1P=1N.s.m-2——在dt时间段内通过截面dS沿z轴正方向输运的动量热传导(heatconduction)二、热传导现象当气体内各处的温度不均匀时，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。傅里叶（Fourier）定律导热系数恒为正值热量沿温度减小的方向输运扩散现象：当某种气体的密度不均匀时，则

5、这种气体分子将从密度大的地方移向密度小的地方。在dt时间内，沿z轴正方向穿过dS的气体的质量为：三、扩散现象密度梯度——斐克（Fick）定律这里D为气体的扩散系数，单位m2s-1,扩散系数的大小表征了扩散过程的快慢。上述三种现象具有共同的宏观特征：这些现象的发生都是由于气体内部存在着一定的不均匀性。从定性的意义上讲：这些现象乃是从各个不同的方面揭示出气体趋向于各处均匀一致的特性。气体内发生输运过程的原因：一是气体分子的热运动二是气体分子间的相互碰撞§3输运过程的微观解释一、粘滞现象的微观解释气体粘滞系数的导出：η与有关，因而决定于气体的性质和状态。气体

6、导热系数的导出：二、热传导现象的微观解释——气体内的热传导在微观上是分子在热运动中的输运热运动能量的过程。微观解释气体定容比热气体扩散系数的导出：——气体内的扩散在微观上是分子在热运动中输运质量的过程。微观解释三、扩散现象的微观解释1、η、κ和D与气体状态参量的关系四、理论结果与实验的比较从以上三式可以看出：在一定的温度下，粘滞系数η和导热系数κ与压强p或单位体积内的分子数n无关；扩散系数D与p或n成反比。在一定的压强下，粘滞系数η、导热系数κ和扩散系数D都随温度T的升高而加大；η和κ与T1/2成正比，D与T3/2成正比。2、η、κ和D之间的关系或或根

7、据实验结果，介于1.3到2.5之间，介于1.3到1.5之间，具体数值都因气体的不同而异。说明：η、κ和D计算式中的系数实际上都并不等于1/3，而且都与气体的性质有关。例：试估算标准状况下空气的粘滞系数、导热系数及扩散系数。解：已知空气平均自由程λ=6.9*10-8m,平均速率v=446m/s,摩尔质量μ=0.029Kg.则：3、η、κ和D的数量级从例题可看出，η、κ和D的理论值与实验值的数量级相同。五、低压下的热传导和粘滞现象实验指出，当气体的压强很低时，κ和η都与p成正比。