§3.9稀薄气体中的输运过程课案.ppt

热 学 稀薄气体中的输运过程 §3.9稀薄气体中的输运过程 真空度变化的某些特征 三.稀薄气体中的热传导现象 黏性现象 扩散现象 2.稀薄气体中黏性现象 * * 主讲：孔红艳 陕西师范大学物理学与信息技术学院 一.稀薄气体的特征 上一节所讨论的气体要求它既满足理想气体条件,但又不是十分稀薄的,如果L为容器特征线度,d为分子有效直径,其分子平均自由程要满足如下条件: 是因为上一节所讨论的输运现象中考虑了分子之间的碰撞,但未考虑到分子与器壁碰撞时也会发生动量和能量的传输等因素. 一般情况下,分子在单位时间内所经历的平均碰撞总次数应是分子与分子及分子与器壁碰撞的平均次数之和,即: 这里统一以下标m-m表示分子与分子之间碰撞的诸物理量,以下标m-w表示分子与器壁碰撞的物理量,而以下标t表示这两种同类物理量之和. 若在 两边各用平均速率去除,即: t t w m w m m m m m v Z v Z v - - - - = = = Z l l l , , , 则: 这就是分子平均自由程的更为一般的公式。 由容器形状决定.例如:两无穷大平板间气体中的 就是两平板间距.所以,称 为容器的特征尺寸L. 考虑到总的平均自由程 就是以前所讲的分子与分子间碰撞的平均自由程,则上式可写为: 显然,只有当 由此可见,讨论输运现象时作?L的限制条件是完全必要的. 但是随着气体压强的降低,当分子间碰撞的平均自由程可与容器的特征尺寸L相比拟,甚至要比L大得多时,讨论气体输运系数时所得到的一些公式不再适用. 二.真空 1.对真空这一名词在物理上和工程技术上有完全不同的理解.按照现代物理学的基础理论之一—量子场论,物理世界是由各种量子系统所组成,而量子场系统能量最低的状态就是真空.根据这种必威体育精装版的认识,真空并不是其词源的本意—“一无所有的空间”或“没有物质的空间”. 2.工程技术理解的真空: 工程技术上所理解的真空技术,是指使气体压强低于地面上大气气压的技术（或称为负压）.气体稀薄的程度称为真空度.严格说来,真空度的标准是相对的.充有气体的容器越大,能称为高真空的气体的压强也应越低,这是因为它要求所充气体的平均自由程也相应增大. 3.真空度的分类: 真空度常可分为如下几类： (1)极高真空与超高真空: (4)低真空: (2)高真空: (3)中真空: 下表列出了气体某些性质随真空度变化的特征. 从表中可见:只有低真空时的输运特性才与上节的公式符合较好,通常把不满足上节输运规律的理想气体称为克努曾气体,也称为稀薄气体. 在稀薄气体中,最简单的是超高真空气体 我们在这里称它为极稀薄气体,这时气体分子主要在器壁之间碰撞,它们在与器壁碰撞的同时,与器壁发生能量或动量的输运,因而产生热传导现象. 1.稀薄气体中的热传导现象 考虑有两块温度分别为T1及T2的平行平板,平板之间的距离L比平板的线度小得多,其中充有其平均自由程 的气体.分子在两器壁往返的运动过程中很少与其它分子相碰.分子在来回碰撞于温度为T1及T2器壁的同时,把热量从高温传到低温.这就是极稀薄气体中热传导的基本微观过程. 显然,这时在气体中不存在温度梯度,也没有傅里叶定律中那种热传导的概念. (1).定义单位时间内从单位面积平行板上所传递的能量为热流密度: 只要两器壁碰撞的温度差?T =T1 -T2 T1,就可以认为,只要与温度为T1（或T2）的器壁碰撞过一次,这一分子的平均能量就变为i kT1/2或i kT2 /2,其中i的数值由对能量均分定理作实际贡献的自由度所决定. 显然一个分子在两器壁间来回碰一次传递的平均能量为iK(T1 - T2 )/ 2 .按照单位时间内碰撞在单位面积器壁上的平均分子数公式,可以得到热流密度: 可见:热流密度JT与真空夹层厚度L无关.传热量正比于n, 因而正比于压强,压强越小,热流密度JT越小,这就是真空绝热技术的基本原理. 需要说明的是,虽然上面的讨论是针对超高真空气体进行的,但对L小于平均自由程的高真空气体也能近似适用. (2)杜瓦瓶 英国物理学家杜瓦（Dewar）在首次液化氢气(其温度为20K)时,为了能保存很难液化且汽化热很少的液氢而设计了杜瓦瓶（热水瓶就是一种杜瓦瓶）. 杜瓦瓶两层壁间气体的真空度越好,绝热性能就越好.同时为了降低辐射传热,因而要在夹层玻璃的内壁上镀银,以减少热辐射吸收率从而降低辐