分子動理學(xué)理論擴散現(xiàn)象的宏觀規(guī)律課件ppt

1、3.2 擴散現(xiàn)象的宏觀規(guī)律擴散現(xiàn)象的宏觀規(guī)律 當物質(zhì)中粒子數(shù)密度不均勻時，由于分子的熱運動使粒子從當物質(zhì)中粒子數(shù)密度不均勻時，由于分子的熱運動使粒子從數(shù)密度高的地方遷移到數(shù)密度低的地方數(shù)密度高的地方遷移到數(shù)密度低的地方,這種現(xiàn)象就是擴散。這種現(xiàn)象就是擴散。eg：不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氧氣與二氧化碳的擴散：不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氧氣與二氧化碳的擴散CO2 O2 O2+CO2 O2+CO2 抽去隔板經(jīng)足夠長時間后，兩氣體均勻分布于兩抽去隔板經(jīng)足夠長時間后，兩氣體均勻分布于兩容器中，且：容器中，且：2222()OCOOCOnnn 擴散現(xiàn)象出現(xiàn)時存在宏觀粒子流，擴散現(xiàn)象出現(xiàn)時存在宏觀粒子流，是非平衡現(xiàn)象，是非

2、平衡現(xiàn)象，也是一種物質(zhì)的輸運現(xiàn)象也是一種物質(zhì)的輸運現(xiàn)象3.2.1 菲克定律菲克定律 自擴散與互擴散自擴散與互擴散一、自擴散與互擴散一、自擴散與互擴散 實際的擴散過程都是較為復(fù)雜的，常和其他輸運過程伴隨實際的擴散過程都是較為復(fù)雜的，常和其他輸運過程伴隨著發(fā)生。著發(fā)生。恒定）恒定）、TPnkTP( 1. 互擴散：互擴散： 發(fā)生在混合物質(zhì)成分中，是由于物質(zhì)各成分的空間分布不發(fā)生在混合物質(zhì)成分中，是由于物質(zhì)各成分的空間分布不均勻而造成的各組分分子從高密度區(qū)向低密度區(qū)遷移的現(xiàn)象均勻而造成的各組分分子從高密度區(qū)向低密度區(qū)遷移的現(xiàn)象 純擴散過程必須是在純擴散過程必須是在的條件下進行的。的條件下進行的。純擴散

3、一般分為兩種：自擴散和互擴散。純擴散一般分為兩種：自擴散和互擴散。 由于發(fā)生互擴散的各組分由于發(fā)生互擴散的各組分、不同，因而他們不同，因而他們的擴散速率、能力也各不相同。的擴散速率、能力也各不相同。 在擴散過程中，同類分子的相互碰撞不會改變這些分子原來在擴散過程中，同類分子的相互碰撞不會改變這些分子原來的輸運規(guī)律，但當大分子與小分子相互碰撞時，小分子的運動方的輸運規(guī)律，但當大分子與小分子相互碰撞時，小分子的運動方向較容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)甚至被折回，從而影響到它的輸運規(guī)律。向較容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)甚至被折回，從而影響到它的輸運規(guī)律。 是使發(fā)生互擴散的兩種粒子的差是使發(fā)生互擴散的兩種粒子的差異盡量變小，使它們相互

4、擴散的速率趨于相等的擴散過程異盡量變小，使它們相互擴散的速率趨于相等的擴散過程.2. 自擴散自擴散自擴散是互擴散的一種特例。自擴散是互擴散的一種特例。2. 自擴散自擴散eg: 同位素間的互擴散同位素間的互擴散 CO、N2 的互擴散的互擴散 二、菲克定律：二、菲克定律： 1. 分子數(shù)密度梯度矢量：分子數(shù)密度梯度矢量： 設(shè)擴散粒子的數(shù)密度設(shè)擴散粒子的數(shù)密度n只沿一維方向變化只沿一維方向變化(如如z方向方向)，即：，即：n=n(z)。 則定義分子數(shù)密度梯度矢量：則定義分子數(shù)密度梯度矢量： 大小：大?。?ddnz方向：方向： 沿沿z軸方向，且軸方向，且 d0,dnz 若若：分子數(shù)密度梯度與分子數(shù)密度梯

5、度與z同向同向 d0,dnz 若若：分子數(shù)密度梯度與分子數(shù)密度梯度與z反向反向 即：即： (一一) 菲克定律：菲克定律： 2. 菲克定律：菲克定律： Adz設(shè)設(shè)dA為與為與z軸垂直的小面元。軸垂直的小面元。 實驗表明：實驗表明： dt 時間內(nèi)通過時間內(nèi)通過dA面凈的向面凈的向z軸方向運動的分子數(shù)軸方向運動的分子數(shù) dN 與與 dndz 成正比，與成正比，與dA、dt 也成正比。則有：也成正比。則有： ddd ddnNDA tz 定義定義為單位時間通過單位面積的粒子數(shù)，用為單位時間通過單位面積的粒子數(shù)，用表示，則：表示，則： dd dNNJt A ddnDz 3. 說明：說明： 菲克定律是法國生

6、物學(xué)家菲克于菲克定律是法國生物學(xué)家菲克于1855年提出的。年提出的。 公式中的負號表示粒子向著粒子數(shù)密度減少的方向擴散。公式中的負號表示粒子向著粒子數(shù)密度減少的方向擴散。 擴散擴散粒子流密度粒子流密度JN ，下標，下標N表示輸運的是粒子數(shù)。表示輸運的是粒子數(shù)。 比例系數(shù)比例系數(shù)D 稱為擴散系數(shù)，稱為擴散系數(shù)， 單位：單位：m2/s且且 JN 處處相等，則：處處相等，則： ddNNJt A A mm A ddn mDAz ddddmNDAtz 反映了單位時間擴散的總質(zhì)量與密度梯度反映了單位時間擴散的總質(zhì)量與密度梯度d dz的關(guān)系的關(guān)系 的第三種數(shù)學(xué)表達式的第三種數(shù)學(xué)表達式 菲克定律也可以用于互擴

7、散：菲克定律也可以用于互擴散： 1112ddddMDAtz 若若dt 時間輸運的擴散粒子時間輸運的擴散粒子1的質(zhì)量為的質(zhì)量為dM1，則：，則： 設(shè)截面設(shè)截面A擴散方向擴散方向 , , zndd(二二) 擴散系數(shù)擴散系數(shù)D 擴散系數(shù)的大小反映了擴散過程的快慢，即反映了粒子的擴散能力。擴散系數(shù)的大小反映了擴散過程的快慢，即反映了粒子的擴散能力。 常溫常壓下常溫常壓下 大多數(shù)氣體：大多數(shù)氣體： 45210 10m /sD低黏度液體：低黏度液體： 89210 10m /sD固體：固體： 915210 10m /sD注意注意: 對氣體來說，當壓強很低時的擴散與上述擴散不同。對氣體來說，當壓強很低時的擴散

8、與上述擴散不同。屬于克努曾擴散或稱為分子擴散，屬于克努曾擴散或稱為分子擴散，eg：氣體透過小孔的瀉流就：氣體透過小孔的瀉流就屬于分子擴散屬于分子擴散 . 例例1：兩個容器的體積都為：兩個容器的體積都為V，用長為，用長為L、截面積、截面積A很?。ê苄。↙Ar2)， 它的內(nèi)外表面分別保持它的內(nèi)外表面分別保持T1和和T2溫度不變。溫度不變。試求：它達到穩(wěn)態(tài)時的內(nèi)部溫度分布試求：它達到穩(wěn)態(tài)時的內(nèi)部溫度分布解：解： l1r2r 由于由于l r2，在忽略上、下表面和外界間，在忽略上、下表面和外界間的熱傳遞的情況下，在離開環(huán)形圓柱中心軸的熱傳遞的情況下，在離開環(huán)形圓柱中心軸r 處的溫度是處處相等的。處的溫度

9、是處處相等的。設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)為設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)為 ，考慮從考慮從r到到r+dr的殼層空間，的殼層空間，1r2rrrd設(shè)其溫度從設(shè)其溫度從T變化到變化到T+dT，根據(jù)傅立葉定律可有：根據(jù)傅立葉定律可有： rlrTtQQ 2dddd 達到穩(wěn)態(tài)時，熱流是常量，設(shè)其等于達到穩(wěn)態(tài)時，熱流是常量，設(shè)其等于C，則：，則： rrlCTd2d rrAd rrlCTd2d rrAd 1r2rrrd兩邊積分，可有：兩邊積分，可有： BrArT ln)(邊界條件：邊界條件： )()()()(222111rrTrTrrTrT BrATBrAT2211lnln 1212211212lnlnlnlnrrrTrTBrrTTA21122

10、121lnlnlnlnln)()(rrrTrTrTTrT 3.4 輻射傳熱輻射傳熱 3.4.1 熱輻射熱輻射 輻射傳熱輻射傳熱 1. 熱輻射：熱輻射： 由于物體內(nèi)部原子和分子中帶電粒子的加速運動，任何物體由于物體內(nèi)部原子和分子中帶電粒子的加速運動，任何物體在任何溫度下，都在以電磁波的形式向四周輻射能量。在任何溫度下，都在以電磁波的形式向四周輻射能量。這種輻射與物體的溫度有關(guān)，因而稱為熱輻射。這種輻射與物體的溫度有關(guān)，因而稱為熱輻射。2. 幾個有關(guān)熱輻射的簡單概念：幾個有關(guān)熱輻射的簡單概念： 反射、吸收和透射：反射、吸收和透射： 輻射到物體表面的輻射能，一般總是有一部分被反射，一輻射到物體表面的

11、輻射能，一般總是有一部分被反射，一部分被物體吸收，還可能有一部分因透射而通過物體。部分被物體吸收，還可能有一部分因透射而通過物體。對于入射到物體表面的輻射能：對于入射到物體表面的輻射能： 吸收的能量與入射能之比稱為吸收率，以吸收的能量與入射能之比稱為吸收率，以 表示。表示。反射的能量與入射能之比稱為反射率，以反射的能量與入射能之比稱為反射率，以 表示。表示。透射的能量與入射能之比稱為透射率，以透射的能量與入射能之比稱為透射率，以 表示。表示。顯然：顯然： 1 黑體：黑體： 若一個物體能吸收投射到其表面的全部輻射，稱為黑體。若一個物體能吸收投射到其表面的全部輻射，稱為黑體。 即：即： =1 的物

12、體的物體 輻射出射度（輻出度）輻射出射度（輻出度）M ： 單位時間從單位表面積向外發(fā)射的輻射總能量。單位時間從單位表面積向外發(fā)射的輻射總能量。 EMA t 輻射出的總能量輻射出的總能量 黑體的輻出度：黑體的輻出度： 4BMT 其中：其中： 824W5.669 10mK 稱斯忒藩稱斯忒藩玻爾茲曼常量玻爾茲曼常量 處于平衡熱輻射狀態(tài)的物體，單位時間吸收的能量和輻射處于平衡熱輻射狀態(tài)的物體，單位時間吸收的能量和輻射 出去的能量相等，即：出去的能量相等，即：ddddioEEtt 3. 輻射傳熱：輻射傳熱： 若兩物體表面有溫度差，則由于兩表面的溫度不同，發(fā)射若兩物體表面有溫度差，則由于兩表面的溫度不同，

13、發(fā)射或吸收的熱輻射能量也不相同，致使能量從溫度高的表面向溫或吸收的熱輻射能量也不相同，致使能量從溫度高的表面向溫度低的表面遷移，這就是輻射傳熱。度低的表面遷移，這就是輻射傳熱。一般說，輻射傳熱與各物體的溫度、吸收率、形狀等都有關(guān)。一般說，輻射傳熱與各物體的溫度、吸收率、形狀等都有關(guān)。 3.4.2 溫室防輻射傳熱溫室防輻射傳熱 大地（視為黑體）大地（視為黑體）玻璃或薄膜玻璃或薄膜 在視為黑體的大地上方覆蓋一在視為黑體的大地上方覆蓋一層吸收率層吸收率 、透射率、透射率 的薄膜，的薄膜， 則其反射率為：則其反射率為：1- - 1 大地與薄膜同時既在吸收熱大地與薄膜同時既在吸收熱輻射，又在發(fā)射熱輻射。

14、輻射，又在發(fā)射熱輻射?？疾於呦蛲獍l(fā)射的熱輻射情況：考察二者向外發(fā)射的熱輻射情況： 大地（視為黑體）大地（視為黑體）玻璃或薄膜玻璃或薄膜 在視為黑體的大地上方覆蓋一在視為黑體的大地上方覆蓋一層吸收率層吸收率 、透射率、透射率 的薄膜，的薄膜，則其反射率為：則其反射率為：1- - 大地與薄膜同時既在吸收熱大地與薄膜同時既在吸收熱輻射，又在發(fā)射熱輻射。輻射，又在發(fā)射熱輻射。輻射輻射大地：大地：薄膜：薄膜：輻出度輻出度M1B1BM 自身向上方大氣及下方大地發(fā)射熱輻射，自身向上方大氣及下方大地發(fā)射熱輻射， 輻出度輻出度M22M2M 大地的輻射能射向薄膜后，大地的輻射能射向薄膜后， M1B向上透射，向上

15、透射，(1- - ) M1B 向大地反射向大地反射1BM 11BM（）吸收吸收薄膜：薄膜：大地：大地：大地輻射大地輻射M1B至薄膜后吸收至薄膜后吸收 M1B 薄膜自發(fā)輻射薄膜自發(fā)輻射M2至大地后全部吸收至大地后全部吸收 薄膜反射的輻射能薄膜反射的輻射能(1- - ) M1B至大地后全部吸收至大地后全部吸收大地單位時間單位面積向上方凈輻射的能量：大地單位時間單位面積向上方凈輻射的能量：輻射輻射大地：大地：薄膜：薄膜：M1BM2， M1B，(1- - ) M1B 大地（視為黑體）大地（視為黑體）玻璃或薄膜玻璃或薄膜1BM2M2M1BM 11BM（）吸收吸收薄膜：薄膜：大地：大地： M1B M2，

16、(1- - ) M1B薄膜單位時間單位面積向上方大氣輻射能量：薄膜單位時間單位面積向上方大氣輻射能量：12BMM 112(1)BBMMM達穩(wěn)態(tài)時，上述兩輻射能相等：達穩(wěn)態(tài)時，上述兩輻射能相等：11212(1)BBBMMMMM212BMM 121()2BBMMM 未蓋薄膜，大地向外輻射能量：未蓋薄膜，大地向外輻射能量：411BMT 比較比較可見覆蓋薄膜后，向大氣輻射的能量僅為未覆蓋時的可見覆蓋薄膜后，向大氣輻射的能量僅為未覆蓋時的 /2倍。倍。蓋上薄膜后凈向大氣輻射的能量：蓋上薄膜后凈向大氣輻射的能量：3.5 對流傳熱對流傳熱3.5.1 自然對流自然對流 *大氣環(huán)流大氣環(huán)流 *人的體溫調(diào)節(jié)人的體

17、溫調(diào)節(jié)1. 對流是流體（液體、氣體）通過自身各部分物質(zhì)的相對流動而對流是流體（液體、氣體）通過自身各部分物質(zhì)的相對流動而 傳遞熱量的方式或過程傳遞熱量的方式或過程舉例：舉例： 爐子加熱水爐子加熱水 加熱時攪拌液體加熱時攪拌液體 電風扇吹風制冷電風扇吹風制冷 人體內(nèi)血液流動產(chǎn)生的熱量傳遞人體內(nèi)血液流動產(chǎn)生的熱量傳遞 2. 對流是流體內(nèi)傳遞熱量的主要方式對流是流體內(nèi)傳遞熱量的主要方式 自然對流中驅(qū)動流體產(chǎn)生相對流動的驅(qū)動力是重力。自然對流中驅(qū)動流體產(chǎn)生相對流動的驅(qū)動力是重力。 3. 對流傳熱對流傳熱自然對流自然對流強迫對流強迫對流 當流體內(nèi)部存在溫度梯度，進而出現(xiàn)密度梯度時，較當流體內(nèi)部存在溫度梯

18、度，進而出現(xiàn)密度梯度時，較高溫處流體密度一般小于較低溫處流體的密度。高溫處流體密度一般小于較低溫處流體的密度。 自然對流中驅(qū)動流體產(chǎn)生相對流動的驅(qū)動力是重力。自然對流中驅(qū)動流體產(chǎn)生相對流動的驅(qū)動力是重力。 當流體內(nèi)部存在溫度梯度，進而出現(xiàn)密度梯度時，較當流體內(nèi)部存在溫度梯度，進而出現(xiàn)密度梯度時，較高溫處流體密度一般小于較低溫處流體的密度。高溫處流體密度一般小于較低溫處流體的密度。 若密度由小到大對應(yīng)的空間位置是由低到高，則受重若密度由小到大對應(yīng)的空間位置是由低到高，則受重力作用流體發(fā)生流動。力作用流體發(fā)生流動。在自然對流的同時伴隨有能量的傳遞。在自然對流的同時伴隨有能量的傳遞。 強迫對流是指在非重力驅(qū)動下使流體作循環(huán)流動，從而進強迫對流是指在非重力驅(qū)動下使流體作循環(huán)流動，從而進 行能量傳輸?shù)倪^程。行能量傳輸?shù)倪^程。 3. 對流傳熱對流傳熱自然對流自然對流強迫對流強迫對流3.5.1 牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 集成電路散熱集成電路散熱一、牛頓冷卻定律