热学第三章课件.ppt

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1、普通物理学教程热学自由度，分子自由度（单原子分子，双原子分子，多原子分子）能量按自由度均分定理（知道自由度即可知道每个分子的平均动能）理想气体内能表达式理想气体摩尔定体热容复习§2.7第三章输运现象与分子动理学理论的非平衡态理论讨论非平衡态热力学系统特有的输运现象及其规律输运包括黏性，扩散，传导等现象在平衡态中热力学系统内部的宏观性质处处一样，因此不存在宏观上的迁移行为，所以不存在输运现象非平衡态中热力学系统内部的宏观性质分布不均匀，分子热运动有让系统宏观性质分布均匀化的倾向，因此存在输运现象输运过程（transport

2、process）当系统各部分的宏观物理性质不均匀时，系统就处于非平衡态。在不受外界干扰时，系统总要从非平衡态自发地向平衡态过渡。这种过渡称为输运过程常见的气体内的迁移现象有三种热传导现象由于气体内各处温度不同,通过分子的碰撞而产生的能量迁移现象·T2T1△UT2>T1扩散现象当气体内各处的分子数密度不同或各部分气体的种类不同时，其分子由于热运动而相互掺合，在宏观上产生的气体质量迁移现象·△m由于气体内各层之间因流速不同而有宏观上的相对运动时，产生在气层之间的定向动量迁移现象。宏观上表现为相邻部分之间有摩擦作用内摩擦现象或

3、粘滞现象·实际上，这三种迁移现象往往是同时存在的说明：v1v2ff非平衡态问题是至今没有完全解决的问题，目前理论只能处理其中的一小部分黏性源于内摩擦，反映的是两组相邻的流体分子由于宏观移动速度不同而产生的相互拖曳的性质§3.1黏性现象的宏观规律粘滞现象的宏观规律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)内摩擦现象：AB现象：A盘自由，B盘由电机带动而转动，随后A盘也慢慢跟着转动解释：B盘转

4、动因摩擦作用力带动了周围的空气层，这一层又带动邻近层，直到带动A盘这种相邻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xzu=u(z)dSdf'df流速不均匀，沿z变化（有速度梯度）不同流层之间有粘滞力设，dS的上层面流体对下层面流体的粘滞力为df，反作用为df'，这一对力满足牛顿第三定律实验测得df∝dzduz=z0dS流速大的流层带动流速小的流层，流速小的流层后拖流速大的流层xzu=u(z)dSdf'df4、牛顿黏性定律BC为流体的黏度（黏性系数），单位是P(泊),1P=0.1N.s.m-2气体的黏度随

5、温度升高而增加，液体的黏度随温度升高而减小5、非牛顿流体1、速度梯度与黏性力不呈线性函数关系，如血液、泥浆、橡胶等2、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6、切向动量流密度负号表示动量沿流速变小的方向输运定义单位时间里相邻流体层之间所转移的沿流体层切向的定向动量为动量流：定义单位横截面积上转移的动量流为动量流密度：则有例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：7、气体黏性微观机理相邻两层气流之间交换定

6、向动量（即宏观动量）不同的分子8、泊速叶定律*单位时间内流过水平直圆管截面上的流体体积正比于管中的压力差梯度9、斯托克斯定律*根据这个式子可算出为什么云雾中水滴可在空中漂浮形成云，而雨滴则可以下降形成雨球形物体在黏性流体中运动受到的黏性阻力10、地球大气中水滴下降所受的黏性阻力*斯托克斯黏性阻力与地球引力平衡时水滴作匀速下降运动分子热运动的随机性有使各种成分粒子数密度均匀化的倾向（因为系统达到平衡态的条件之一是化学平衡），这就导致各种成分粒子数密度发生迁移同种成分粒子数密度也有均匀化的倾向，也使粒子数密度发生迁移§3.2

7、扩散现象的宏观规律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数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成正比物理意义：若JN处处相等，则单位时间扩散的总质量为：其中D为扩散系数，单位m2s-2,D12为“1”分子在“2”分子中做一维互扩散时的互扩散系数扩散系数的大小表征了扩散过程的快慢互

8、扩散：3.气体扩散的微观机理由于热运动，上下两层气体不断交换分子，由于密度不均匀，密度大的一方迁出的分子较迁入分子为多，因而有净质量自上向下输运，形成了气体质量的定向迁移。这一现象发生在同种气体之中，也发生在气体的不同组分之间4.树叶的水分散失*5.布朗粒子运动的扩散公式*（爱因斯坦1905年证明）P161:3.1.