2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：分子動理學(xué) 的非平衡態(tài)理論

分子動理學(xué)的非平衡態(tài)理論§5-1

黏性現(xiàn)象的宏觀規(guī)律

當(dāng)系統(tǒng)各部分的宏觀物理性質(zhì)如流速、溫度或密度不均勻時，系統(tǒng)就處于非平衡態(tài)在不受外界干預(yù)時，系統(tǒng)總要從非平衡態(tài)自發(fā)地向平衡態(tài)過渡，這種過渡為輸運(yùn)過程。一、層流與牛頓黏性定律在流動過程中，相鄰質(zhì)點(diǎn)的軌跡彼此稍有差別，不同流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡不相互混雜，這樣的流動為層流。層流發(fā)生在流速較小時u0u=0xdf′dfdAu=u(z)zAB

流體作層流時，通過任一平行流速的截面兩側(cè)的相鄰兩層流體上作用有一對阻止它們相對滑動的切向作用力與反作用力，使流動快的一層流體減速，這種力為黏性力（內(nèi)摩擦力）

對于面積為dA的相鄰流體層來說，作用在上一層流體的阻力df′必等于作用于下一層流體df

的加速力。牛頓黏性（viscosity）定律

在相鄰兩層流體中，相對速度較大的流體總是受到阻力，即速度較大一層流體受到的黏性力的方向總與速度梯度方向相反，故速度梯度即流速在薄層單位間距上的增量。

夾層內(nèi)的空氣對B筒施予黏性力。A筒保持一恒定的轉(zhuǎn)速，B筒相應(yīng)地偏轉(zhuǎn)一定的角度，偏轉(zhuǎn)角度的大小由附在紐絲上的小鏡M所反射的光線測得。從偏轉(zhuǎn)角的大小可計算出黏性力。旋轉(zhuǎn)黏度計ωBAM氣體的黏度

在單位時間內(nèi)，相鄰流體層之間所轉(zhuǎn)移的沿流體層的定向動量為動量流dp/dt，在單位橫截面積上轉(zhuǎn)移的動量流為動量流密度JP。η為流體的黏度，1P=1NSm-2

。

黏度與流體的流動性質(zhì)有關(guān)。流體性好的流體的黏度相對小。氣體的黏度小于液體。氣體的黏度隨溫度升高而增加。液體的黏度隨溫度的升高而減小。二、氣體黏性微觀機(jī)理

長為L，半徑為r

的水平直圓管中，單位時間流過管道截面上的流體的體積dv/dt

為體積流率

常壓下氣體的黏性就是由流速不同的流體層之間的定向動量的遷移產(chǎn)生的。因此，氣體的黏性現(xiàn)象是由于氣體內(nèi)大量分子無規(guī)則運(yùn)動輸運(yùn)定向動量的結(jié)果。三、泊肅葉定律四、斯托克斯定律五、非牛頓流體1、速度梯度和黏性力間不呈線性關(guān)系。

2、其黏性系數(shù)會隨時間而變或與流體以前的歷史過程有關(guān)。

3、對形變有部分彈性恢復(fù)作用。

球體在黏性流體中運(yùn)動時，物體表面黏附著一層流體，這一流體層與相鄰的流體層之間存在黏性力，在運(yùn)動中需克服這一阻力。§5-2擴(kuò)散現(xiàn)象的宏觀規(guī)律

一、自擴(kuò)散與互擴(kuò)散

當(dāng)物質(zhì)中粒子數(shù)密度不均勻時，由于分子的熱運(yùn)動使粒子從數(shù)密度高的地方遷移到數(shù)密度低的地方的現(xiàn)象為擴(kuò)散。

互擴(kuò)散是發(fā)生在混合氣體中，自擴(kuò)散是互擴(kuò)散的一種特例。它是一種使發(fā)生互擴(kuò)散的兩種氣體分子的差異盡量變小，使它們相互擴(kuò)散的速率趨于相等的互擴(kuò)散過程。二、菲克定律

一維粒子流密度JN（單位時間內(nèi)在單位截面上擴(kuò)散的粒子數(shù)）與粒子數(shù)密度梯度成正比。dndz

D為擴(kuò)散系數(shù)，單位為m2s-1

。負(fù)號表示粒子向粒子數(shù)密度減少的方向擴(kuò)散。若在與擴(kuò)散方向垂直的流體截面上JN處處相等。

上式表示單位時間內(nèi)氣體擴(kuò)散的總質(zhì)量與密度梯度的關(guān)系互擴(kuò)散公式表示為：

D12

為“1”分子在“2”分子中作一維互擴(kuò)散時的系數(shù)?！鱉為輸運(yùn)的“1”質(zhì)量數(shù)。

擴(kuò)散系數(shù)的大小表示了擴(kuò)散過程的快慢若在壓強(qiáng)很低時的氣體的擴(kuò)散與常壓下的擴(kuò)散完全不同，為克努曾擴(kuò)散（分子擴(kuò)散）。氣體透過小孔的瀉流就屬于分子擴(kuò)散。

三、氣體擴(kuò)散（diffusion）的微觀機(jī)理

擴(kuò)散是在存在同種粒子的粒子數(shù)密度空間不均勻的情況下，由于分子熱運(yùn)動所產(chǎn)生的宏觀粒子遷移或質(zhì)量遷移。

它與