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

分子動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)就處于非平衡態(tài)在不受外界干預(yù)時(shí)，系統(tǒng)總要從非平衡態(tài)自發(fā)地向平衡態(tài)過(guò)渡，這種過(guò)渡為輸運(yùn)過(guò)程。一、層流與牛頓黏性定律在流動(dòng)過(guò)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(dòng)為層流。層流發(fā)生在流速較小時(shí)u0u=0xdf′dfdAu=u(z)zAB

流體作層流時(shí)，通過(guò)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(duì)阻止它們相對(duì)滑動(dòng)的切向作用力與反作用力，使流動(dòng)快的一層流體減速，這種力為黏性力（內(nèi)摩擦力）

對(duì)于面積為dA的相鄰流體層來(lái)說(shuō)，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(duì)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(duì)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(cè)得。從偏轉(zhuǎn)角的大小可計(jì)算出黏性力。旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)ωBAM氣體的黏度

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

。

黏度與流體的流動(dòng)性質(zhì)有關(guān)。流體性好的流體的黏度相對(duì)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(zhǎng)為L(zhǎng)，半徑為r

的水平直圓管中，單位時(shí)間流過(guò)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(dòng)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(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)輸運(yùn)定向動(dòng)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(huì)隨時(shí)間而變或與流體以前的歷史過(guò)程有關(guān)。

3、對(duì)形變有部分彈性恢復(fù)作用。

球體在黏性流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)中需克服這一阻力?！?-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(shí)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)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(guò)程。二、菲克定律

一維粒子流密度JN（單位時(shí)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(hào)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(shí)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(shí)的系數(shù)。△M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(guò)程的快慢若在壓強(qiáng)很低時(shí)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(guò)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(dòng)所產(chǎn)生的宏觀粒子遷移或質(zhì)量遷移。

它與