第三章輸運現象分子動理論的非平衡態理論研究思路本章將討論非平衡態氣體的微觀過程，特別是那些在接近平衡時的非平衡態過程。最簡單的非平衡態問題：不受外界干擾時，系統自發地從非平衡態向物理性質均勻的平衡態過渡過程---輸運過程三種典型的輸運過程：當氣體各層流速不同時發生的粘滯現象，各處密度不均勻時發生的擴散過程，以及溫度不均勻時發生的熱傳導過程。處理輸運過程的研究方法：把分子看作剛球，把分子間的碰撞簡化為剛球的彈性碰撞，從而引入平均自由程的概念；在此基礎上從分子運動論的觀點推導輸運過程的基本規律，并確定擴散系數，導熱系數和粘滯系數等宏觀常數與一些反映氣體結構的參量之間的關系。主要內容1、三種輸運現象的宏觀規律§3.1，3.2，3.32、氣體分子的平均自由程§3.63、輸運過程的微觀解釋§3.84、稀薄氣體中的輸運過程§3.9設氣體各流層平行于xoy平面沿y軸正方向流動，流速u沿z軸正向逐漸增大。如在z=z0處垂直于z軸作一截面ds將氣體分成A,B兩部分。——z0處的速度梯度反映了各流層速率隨空間位置變化的快慢程度。二、牛頓粘性定律1、實驗表明：形式一

——粘度（粘性系數）單位是Pa·s說明：2）η與流體的性質及溫度、壓強有關氣體的黏度隨溫度升高而增加，液體的黏度隨溫度升高而減少。1）定律對氣體和液體都是適用的。設在dt時間內、通過ds截面、沿z軸定向輸運的動量：dp若規定沿z軸正方向傳遞的動量dp>0，則形式二“-”的意義：因為動量是沿著流速減小的方向輸運的,若du/dz>0，則dp<0.η物理意義：單位時間內、通過單位面積、單位速度梯度上輸運的定向動量。2、從效果看：由于氣體內各層之間因流速不同而有宏觀上的相對運動時，產生在氣層之間的定向動量傳輸現象。四、粘滯現象的微觀本制（只討論氣體）三、切向動量流密度負號表示定向動量總是沿流速變小的方向輸運的意義：單位時間內、相鄰流層間垂直于流層方向上單位面積輸運的定向動量。分析：由于氣體分子無規則的熱運動，在相鄰流層間交換分子對的同時，交換了相鄰流體層的定向運動動量，結果使流動較快的流層凈失去了定向動量，流動較慢的流層凈得到了定向動量，產生粘性力。解：外桶的線速度夾層流體的速度梯度MBAR+δωLR黏性力對扭絲作用的合力矩：氣體的粘度為：例3.1：旋轉粘度計結構如圖，扭絲懸吊了一只外徑R長L的內圓筒，筒外同心套有一長L內徑R+δ(δ<<R)的外圓筒，筒間的隔層內裝有被測氣體。使外筒以恒定角速度ω旋轉，此時內筒受氣體粘性力產生的力矩被扭絲的扭轉力矩G所平衡，試導出被測氣體的粘度表達式。五、粘度的測定§3.2擴散現象的宏觀規律一、自擴散與互擴散現象當物質中粒子數密度不均勻時，由于分子的熱運動使粒子從密度高的地方遷移到數密度低的地方的現象稱為擴散。互擴散：發生在混合氣體中，由于各成分的氣體空間分布不均勻，各成分分子均要從高密度區向低密度區遷移的現象。自擴散：是互擴散的一種特例。是指發生互擴散的氣體分子的差異很小，相互擴散的速率趨于相等的互擴散過程。這里只討論在溫度和壓強均勻的情況下，僅由于氣體中各處密度不同而引起的單純擴散現象。

——密度梯度：則在dt時間內通過ds傳遞的質量：形式二2）也適用于不同氣體的相互擴散過程。1）負號表示質量向ρ減小的方向輸運。氣體在單位時間內在單位截面上擴散的粒子數3）D的物理意義：單位時間內、通過單位面積、單位密度梯度上輸運的質量。4）也可定義質量流密度：§3.3熱傳導現象的宏觀規律

熱傳導(Heatconductivity)與熱傳遞或傳熱(Heattransfer)并不等同：傳熱泛指一切由于溫度差而引起的熱量（能量）傳遞，常按不同機理將傳熱歸納為三種基本方式——熱傳導、對流、熱輻射。熱量很少以單一方式進行傳遞，往往是幾種傳熱方式同時發生。這里主要討論熱傳導，所傳導的熱量就是微觀粒子熱運動的能量。熱傳導：由于氣體內各處溫度不同,通過分子的碰撞而產生的能量遷移現象。一、熱傳導現象設等溫面是x-y平面，若在穩態情況下，溫度T僅是z的函數，且溫度沿Ｚ軸正方向逐漸加大，z=z0

處取一截面Ａ，則單位時間內通過該截面Ａ的熱量Ｑ與溫度梯度及截面的面積Ａ成正比：二、傅立葉定律熱導率恒為正值

能量流動方向與溫度梯度方向相反（壓強均勻且溫度穩定分布的一維熱傳導）熱流k的物理意義：單位時間內、通過單位面積、單位溫度梯度上傳遞的熱量。2）k稱為熱導系數，其數值由材料的性質決定。3）負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反，即熱量是從溫度較高處向溫度較低處流動。定義熱流密度（單位時間內在單位面積上流過的熱量）三、熱傳導的微觀機理

說明：熱傳導是由于分子熱運動強弱程度即溫度不同所產生的能量傳遞。當氣體中存在溫度梯度時，作雜亂無章運動的氣體分子，在空間交換分子對的同時交換了具有不同熱運動平均能量的分子因而發生了能量的遷移。1）為單位時間內通過的熱量簡稱為熱流。輸運過程三個宏觀規律的比較

（共同的宏觀特征）三種輸運現象共同的宏觀特征:

它們都是由氣體中的某一性質的不均勻分布而引起的

為了定量描述這種不均勻性，分別采用了定向流動的速率梯度、溫度梯度和密度梯度，而在微觀上，分別對應粘滯現象中的動量遷移，熱傳導現象中的能量遷移和擴散現象中的