输运现象与分子动理学理论的非平衡态理论 2 课件.ppt

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1、§3.2扩散现象的宏观规律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数密度高的地方迁移到数密度低的地方,这种现象就是扩散。eg：不会发生化学反应的氧气与二氧化碳的扩散CO2O2O2+CO2O2+CO2抽去隔板经足够长时间后，两气体均匀分布于两容器中，且：扩散现象出现时存在宏观粒子流，是非平衡现象，也是一种物质的输运现象§3.2.1菲克定律自扩散与互扩散一、自扩散与互扩散实际的扩散过程都是较为复杂的，常和其他输运过程伴随着发生。1.互扩散：发生在混合物质成分中，是由于物质各成分的空间分布不均匀而造成的各组分分子从高密度区向低密度区迁移的

2、现象纯扩散过程必须是在密度均匀、压强均匀的条件下进行的。纯扩散一般分为两种：自扩散和互扩散。由于发生互扩散的各组分分子的大小、形状不同，因而他们的扩散速率、能力也各不相同。在扩散过程中，同类分子的相互碰撞不会改变这些分子原来的输运规律，但当大分子与小分子相互碰撞时，小分子的运动方向较容易发生偏转甚至被折回，从而影响到它的输运规律。是使发生互扩散的两种粒子的差异尽量变小，使它们相互扩散的速率趋于相等的扩散过程.2.自扩散自扩散是互扩散的一种特例。2.自扩散eg:①同位素间的互扩散②CO、N2的互扩散二、菲克定律：1.分子数密度梯度矢量：设扩散粒子

3、的数密度n只沿一维方向变化(如z方向)，即：n=n(z)。则定义分子数密度梯度矢量：大小：方向：沿z轴方向，且分子数密度梯度与z同向分子数密度梯度与z反向即：分子数密度梯度总是指向分子数密度n增加的方向。(一)菲克定律：2.菲克定律：设dA为与z轴垂直的小面元。实验表明：dt时间内通过dA面净的向z轴方向运动的分子数dN与dn／dz成正比，与dA、dt也成正比。则有：定义粒子流密度为单位时间通过单位面积的粒子数，用JN表示，则：——菲克定律3.说明：⑴菲克定律是法国生物学家菲克于1855年提出的。⑵公式中的负号表示粒子向着粒子数密度减少的方向扩

4、散。⑶扩散粒子流密度JN，下标N表示输运的是粒子数。⑷比例系数D称为扩散系数，单位：m2/s且JN处处相等，则：扩散粒子的分子质量流体截面积反映了单位时间扩散的总质量与密度梯度d／dz的关系——菲克定律的第三种数学表达式⑹菲克定律也可以用于互扩散：若dt时间输运的扩散粒子1的质量为dM1，则：扩散粒子1的密度梯度扩散粒子1在粒子2中的一维互扩散系数⑸设截面A⊥扩散方向,(二)扩散系数D扩散系数的大小反映了扩散过程的快慢，即反映了粒子的扩散能力。常温常压下大多数气体：低黏度液体：固体：注意:对气体来说，当压强很低时的扩散与上述扩散不同。属于克努

5、曾扩散或称为分子扩散，eg：气体透过小孔的泻流就属于分子扩散.例1：两个容器的体积都为V，用长为L、截面积A很小（LA<

6、：黏性：黏性力扩散：扩散粒子数气体常压下的黏性是由于流层间流速不同造成的定向动量迁移引起气体常压下的扩散是由于粒子数密度空间不均匀造成的宏观粒子迁移或质量迁移引起说明：⑴黏性与扩散均依靠分子无规则热运动实现⑵液体、固体也有扩散现象，但由于微观结构不同使得其扩散的机理也不同§3.3热传导现象的宏观规律当系统与外界之间或系统内部各部分之间存在温度差时就有热量的传输热传递有三种本质不同的基本方式：热传导、对流与辐射。§3.3.1傅里叶定律线性输运与非线性输运一、傅里叶定律1.热传导：相邻的两部分物质之间，不是由于净的物质流动，而仅仅是由温度差引起的能

7、量传输称为热传导热传导过程存在热流，因而是非平衡态。热传导过程存在能量迁移，因而是物质的输运现象。2.傅里叶定律：⑴定义：⑴定义：热流密度：单位时间通过垂直热流方向的单位面积的热量。热流：单位时间内通过的热量温度梯度大小：方向：指向温度升高的方向。⑵傅立叶定律：2.傅里叶定律：傅立叶定律设物体的温度沿z轴方向变化，在z=z0处垂直于z轴取一截面A。⑶说明：①傅立叶定律是法国科学家傅立叶于1822年在实验基础上提出的②比例系数称为热导率，或导热系数。单位：w／m·K其数值由材料的性质决定③式中负号表示热流方向与温度梯度方向相反，即：热量总是由温

8、度较高处流向温度较低处④系统达到稳态时有：此时利用傅立叶定律计算传热十分方便。系统未达到稳态时，应借助热传导方程解决问题⑷热传导现象的微观机理：⑷热传