2013年地空學(xué)院熱學(xué)課件courseware

1、熱學(xué)宋國(guó)利教授哈爾濱學(xué)院物理系第一節(jié)近平衡態(tài)的輸運(yùn)過(guò)程第二節(jié)輸運(yùn)過(guò)程的微觀(guān)機(jī)制第三節(jié)生命熱力學(xué)與生態(tài)環(huán)境第五章 非平衡態(tài)過(guò)程 熱學(xué)教學(xué)目標(biāo)了解近平衡態(tài)的輸運(yùn)過(guò)程特征掌握輸運(yùn)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)定律和輸運(yùn)過(guò)程的氣體動(dòng)理論了解稀薄氣體的輸運(yùn)特征生命熱力學(xué)生命與生態(tài)環(huán)境的熱學(xué)基本知識(shí)熱學(xué)1非平衡態(tài)氣體內(nèi)遷的熱導(dǎo)率計(jì)算大學(xué)物理，2005，2參考文獻(xiàn)2混合氣體輸運(yùn)系數(shù)的推導(dǎo)大學(xué)物理，2005，63牛頓冷卻定律適用范圍的探討大學(xué)物理，2000，54生命生態(tài)環(huán)境與熵大學(xué)物理，2000，105由麥克斯韋速率分布和自由程分布導(dǎo)出內(nèi)摩擦系數(shù) 大學(xué)物理，2004，2熱學(xué)第一節(jié)近平衡態(tài)的輸運(yùn)過(guò)程1輸運(yùn)過(guò)程近平衡態(tài)在平衡態(tài)附近的

2、一種非平衡態(tài)，不均勻程度較弱，引起的輸運(yùn)過(guò)程呈線(xiàn)性關(guān)系熱學(xué)輸運(yùn)過(guò)程在外界影響作用下，系統(tǒng)的某種宏觀(guān)物理量空間分布不均勻，存在梯度，進(jìn)而使系統(tǒng)產(chǎn)生某種宏觀(guān)物理量的輸運(yùn)外界影響是系統(tǒng)保持局域間穩(wěn)定的不均勻性的條件，也是系統(tǒng)進(jìn)行輸運(yùn)過(guò)程的前提 弛豫過(guò)程系統(tǒng)在外界影響下偏離平衡態(tài)時(shí)，通過(guò)分子間碰撞以及分子熱運(yùn)動(dòng)使系統(tǒng)趨向平衡態(tài)，系統(tǒng)由一平衡態(tài)變化到另一平衡態(tài)2輸運(yùn)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)定律 Newton黏滯定律P = -(du/dz)zSt f(z) = -(du/dz)zS x zu = u (z)dSdf df熱學(xué)AB第一節(jié)近平衡態(tài)的輸運(yùn)過(guò)程流體的黏滯系數(shù)大小與材料有關(guān)，并依賴(lài)溫度的變化氣體的黏度隨溫度升高而

3、增加，液體的黏度隨溫度升高而減少物質(zhì)空氣水蒸氣水輕機(jī)油t/20671010002015/10-5Pas1.824.00.91.271.791.0111.3熱學(xué)非牛頓流體血液、泥漿、橡膠、油漆、瀝青第一節(jié)近平衡態(tài)的輸運(yùn)過(guò)程例題1外桶的線(xiàn)速度夾層流體的速度梯度MBAR+LR黏性力對(duì)扭絲作用的合力矩：熱學(xué)第一節(jié)近平衡態(tài)的輸運(yùn)過(guò)程熱學(xué)第一節(jié)近平衡態(tài)的輸運(yùn)過(guò)程斯托克斯（Stokes）定律云、霧中的水滴 Fourier 熱傳導(dǎo)定律Q = -(dT/dz)zStH = - (dT/dz)zS 物質(zhì)空氣水Cu玻璃松木石棉t/-742702020203027k/W/mK0.0180.0240.5610.6043

4、860.780.110.04熱學(xué)第一節(jié)近平衡態(tài)的輸運(yùn)過(guò)程例題 2 一窗戶(hù)玻璃的面積為2m2，厚為0.5cm。北方冬季夜晚室內(nèi)的溫度為20，室外的溫度為20，玻璃的熱導(dǎo)率約為=0.78 J m-1s-1K-1，計(jì)算一下12小時(shí)內(nèi)通過(guò)窗玻璃的熱量是多少？整個(gè)系統(tǒng)（房屋和環(huán)境）的熵增加多少? 我們假設(shè)墻壁是絕熱的 熱學(xué)第二節(jié)輸運(yùn)過(guò)程的微觀(guān)機(jī)制(dT/dz) 8000K/m Q = 5.4x108J T1293K，T2253K S S1S2QT1Q/T22.7 x105JK Q = -(dT/dz)z S t Fick 擴(kuò)散定律J = - D(d/dz)zSM = -D(d/dz)zSt熱學(xué)第一節(jié)近平

5、衡態(tài)的輸運(yùn)過(guò)程1平均自由程和碰撞頻率第二節(jié)輸運(yùn)過(guò)程的微觀(guān)機(jī)制熱學(xué)Addduu例題 3 電子管的真空度約為1.0 x105mmHg，設(shè)氣體分子的有效直徑為3.0 x1010m，計(jì)算常溫下單位體積內(nèi)的分子數(shù)和分子碰撞頻率。熱學(xué)第二節(jié)輸運(yùn)過(guò)程的微觀(guān)機(jī)制zz016v n16v nxu（z+ ）u（z - ）熱學(xué)2輸運(yùn)過(guò)程的微觀(guān)機(jī)制第二節(jié)輸運(yùn)過(guò)程的微觀(guān)機(jī)制例題 4 估算標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的黏性系數(shù)、熱導(dǎo)率及擴(kuò)散系數(shù)?？諝馄骄杂沙?6.9X10-8 m平均速率v=446 m/s，摩爾質(zhì)量Mmol=0.029 Kg熱學(xué)第二節(jié)輸運(yùn)過(guò)程的微觀(guān)機(jī)制熱學(xué)3稀薄氣體的輸運(yùn)特征當(dāng)氣體壓強(qiáng)減小時(shí)，平均自由程增大 容器尺度L

6、的限制 熱導(dǎo)率與壓強(qiáng)成正比 第二節(jié)輸運(yùn)過(guò)程的微觀(guān)機(jī)制熱學(xué)第二節(jié)輸運(yùn)過(guò)程的微觀(guān)機(jī)制例題 5 圓柱狀杜瓦瓶高24.0cm，瓶的夾層內(nèi)外直徑分別為15.0cm和15.6cm，瓶?jī)?nèi)裝有冰水混合物，瓶外室溫為27，大致估算一下：如果夾層內(nèi)充有1atm的空氣，單位時(shí)間內(nèi)空氣傳導(dǎo)的熱量為多少？若使瓶膽具有絕熱性能，瓶膽間的壓強(qiáng)應(yīng)至少降為多少？空氣的分子有效直徑d為3.7x1010m、熱導(dǎo)率為0.025J.m-1s-1K-1 S = 27.8cmx24.0cm = 0.1175m2 dT/dz = 9000K/m Q = 26.44Js Q = -(dT/dz)z S t當(dāng)氣體壓強(qiáng)減小時(shí)，平均自由程增大 平均

7、自由程增大受到容器尺度L的限制 31 生命熱力學(xué)開(kāi)放系統(tǒng)與外界的能量和物質(zhì)交換，使系統(tǒng)熵減少，形成有序結(jié)構(gòu)保持遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)部存在著非線(xiàn)性相互作用普利高津1969年提出耗散結(jié)構(gòu)理論；1977年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)熱學(xué)第三節(jié)生命與生態(tài)環(huán)境耗散結(jié)構(gòu)生命系統(tǒng)熱學(xué)特征開(kāi)放系統(tǒng)，與外界進(jìn)行能量和物質(zhì)交換耗散過(guò)程，伴隨著熱現(xiàn)象，熵不斷增加從外界汲取低熵物質(zhì)，排泄高熵物質(zhì)，以保持有機(jī)體低熵狀態(tài)Schrodinger在生命是什么？一書(shū)中闡述了“生命之所以能存在，就在于從環(huán)境中不斷得到負(fù)熵；吃飯是為了產(chǎn)生負(fù)熵流” 熱學(xué)第三節(jié)生命與生態(tài)環(huán)境熵的極大值意味著熱平衡態(tài)對(duì)于生命，熱平衡態(tài)就是死亡低熵高能物質(zhì)（碳水

8、化合物）和低熵低能物質(zhì)（水）高熵物質(zhì)通常是CO2、汗等生命體的排泄物6CO2 + 6H2OC6H12O6 + 6O2Smol = -585.8 J/mol KHmol = 2808 KJ/molHmol0表示反應(yīng)是吸熱的，即生成物帶有較高的化學(xué)能Smol0表示生成物是低熵物質(zhì)，可以滿(mǎn)足生命體能量和負(fù)熵的需要 熱學(xué)第三節(jié)生命與生態(tài)環(huán)境2生態(tài)環(huán)境太陽(yáng)是地球生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)熵源泉太陽(yáng)輻射作為6000K的黑體輻射地球生態(tài)系統(tǒng)的輻射作為T(mén)地= 253K的黑體輻射d入s /dt + d出s /dt = Q（1/T日- 1 /T地）Q為地球生態(tài)系統(tǒng)吸收的太陽(yáng)輻射，Q為地球所受的太陽(yáng)輻射，R為太陽(yáng)輻射P = 1.40 x 103 W/m2Q = R2地P = 1.79 x 1017 WQ = 66% Q = 1.18 x 1017 W地球負(fù)熵流： S = - 4.47 x 1014 w/k熱學(xué)第三節(jié)生命與生態(tài)環(huán)境1溫室效應(yīng)熱學(xué)第三節(jié)生命與生態(tài)環(huán)境三大環(huán)境問(wèn)題溫室效應(yīng)臭氧層破壞酸雨 溫室效應(yīng)短波輻射透入大氣長(zhǎng)短輻射被大氣中二氧化碳等所吸收熱學(xué)第三節(jié)生命與生態(tài)環(huán)境地球表面的平均溫度為1515的黑體輻射波長(zhǎng)的極大值在