宋国利教授

热学宋国利教授哈尔滨学院物理系

热学第五章非平衡态过程第一节．近平衡态的输运过程第二节．输运过程的微观机制第三节．生命热力学与生态环境

热学教学目标 ◆了解近平衡态的输运过程特征 ◆掌握输运过程的实验定律和输运过程的气体动理论 ◆了解稀薄气体的输运特征 ◆生命热力学 ◆生命与生态环境的热学基本知识

热学参考文献 [1]非平衡态气体内迁的热导率计算——大学物理，2005，2 [2]混合气体输运系数的推导——大学物理，2005，6 [3]牛顿冷却定律适用范围的探讨——大学物理，2000，5 [4]生命生态环境与熵——大学物理，2000，10 [5]由麦克斯韦速率分布和自由程分布导出内摩擦系数 ——大学物理，2004，2

热学第一节．近平衡态的输运过程 1．输运过程 ◆输运过程在外界影响作用下，系统的某种宏观物理量空间分布不均匀，存在梯度，进而使系统产生某种宏观物理量的输运 ◆近平衡态在平衡态附近的一种非平衡态，不均匀程度较弱，引起的输运过程呈线性关系外界影响是系统保持局域间稳定的不均匀性的条件，也是系统进行输运过程的前提 ◆弛豫过程系统在外界影响下偏离平衡态时，通过分子间碰撞以及分子热运动使系统趋向平衡态，系统由一平衡态变化到另一平衡态

A 热学 B  z df ' u = u (z) dS df x 第一节．近平衡态的输运过程 2．输运过程的实验定律 ◆Newton黏滞定律 △P = -η(du/dz)z△S△t f(z) = -(du/dz)z△S

物质空气水蒸气水轻机油 t/℃ 20 671 0 100 0 20 15 η/10-5Pas 1.82 4.0 0.9 1.27 1.79 1.01 11.3 热学第一节．近平衡态的输运过程流体的黏滞系数η大小与材料有关，并依赖温度的变化气体的黏度随温度升高而增加，液体的黏度随温度升高而减少非牛顿流体血液、泥浆、橡胶、油漆、沥青

热学 M B A L R R+δ ω 第一节．近平衡态的输运过程例题1 外桶的线速度夹层流体的速度梯度黏性力对扭丝作用的合力矩：

热学第一节．近平衡态的输运过程 ◆斯托克斯（Stokes）定律云、雾中的水滴

物质空气水 Cu 玻璃松木石棉 t/℃ -74 27 0 20 20 20 30 27 k/W/mK 0.018 0.024 0.561 0.604 386 0.78 0.11 0.04 热学第一节．近平衡态的输运过程 ◆Fourier 热传导定律 △Q = -κ(dT/dz)z△S△t H = - κ(dT/dz)z△S

热学第二节．输运过程的微观机制例题 2一窗户玻璃的面积为2m2，厚为0.5cm。北方冬季夜晚室内的温度为20℃，室外的温度为－20℃，玻璃的热导率约为=0.78 J m-1s-1K-1，计算一下12小时内通过窗玻璃的热量是多少？整个系统（房屋和环境）的熵增加多少? 我们假设墙壁是绝热的 △Q = -κ(dT/dz)z △S △t (dT/dz) ＝8000K/m Q = 5.4x108J T1＝293K，T2＝253K △S＝ △S1＋△S2＝－Q／T1＋Q/T2＝2.7 x105J／K

热学第一节．近平衡态的输运过程 ◆Fick 扩散定律 △M = -D(dρ/dz)z△S△t J = - D(dρ/dz)z△S

热学 d u d u A d  第二节．输运过程的微观机制 1．平均自由程和碰撞频率

热学第二节．输运过程的微观机制例题 3电子管的真空度约为1.0x10－5mmHg，设气体分子的有效直径为3.0x10－10m，计算常温下单位体积内的分子数和分子碰撞频率。

热学 1 1 6 6 z u（z+  ）  v n z0 x  v n u（z -  ）第二节．输运过程的微观机制 2．输运过程的微观机制

热学第二节．输运过程的微观机制例题 4估算标准状况下空气的黏性系数、热导率及扩散系数。空气平均自由程λ=6.9X10-8 m 平均速率v=446 m/s，摩尔质量Mmol=0.029 Kg

热学第二节．输运过程的微观机制 3．稀薄气体的输运特征当气体压强减小时，平均自由程增大容器尺度L的限制热导率与压强成正比

热学第二节．输运过程的微观机制例题 5圆柱状杜瓦瓶高24.0cm，瓶的夹层内外直径分别为15.0cm和15.6cm，瓶内装有冰水混合物，瓶外室温为27℃，大致估算一下：如果夹层内充有1atm的空气，单位时间内空气传导的热量为多少？若使瓶胆具有绝热性能，瓶胆间的压强应至少降为多少？空气的分子有效直径d为3.7x10–10m、热导率为0.025J.m-1s-1K-1 △Q = -κ(dT/dz)z △S △t △S = 2π7.8cmx24.0cm = 0.1175m2dT/dz = 9000K/m △Q = 26.44J／s 当气体压强减小时，平均自由程增大平均自由程增大受到容器尺度L的限制

热学第三节．生命与生态环境 3．1 生命热力学 ◆耗散结构普利高津 1969年提出耗散结构理论；1977年获诺贝尔化学奖 ①保持远离平衡态的开放系统 ②系统内部存在着非线性相互作用 ③开放系统与外界的能量和物质交换，使系统熵减少，形成有序结构

热学第三节．生命与生态环境 ◆生命系统热学特征开放系统，与外界进行能量和物质交换耗散过程，伴随着热现象，熵不断增加熵的极大值意味着热平衡态对于生命，热平衡态就是死亡从外界汲取低熵物质，排泄高熵物质，以保持有机体低熵状态 Schrodinger在《生命是什么？》一书中阐述了“生命之所以能存在，就在于从环境中不断得到‘负熵’；吃饭是为了产生负熵流”

热学第三节．生命与生态环境低熵高能物质（碳水化合物）和低熵低能物质（水）高熵物质通常是CO2、汗等生命体的排泄物 △Hmol = 2808 KJ/mol 6CO2 + 6H2O→C6H12O6 + 6O2 △Smol = -585.8 J/mol K △Hmol＞0表示反应是吸热的，即生成物带有较高的化学能 △Smol＜0表示生成物是低熵物质，可以满足生命体能量和负熵的需要

热学第三节．生命与生态环境 2．生态环境太阳是地球生态系统的负熵源泉太阳辐射作为6000K的黑体辐射地球生态系统的辐射作为T地= 253K的黑体辐射 d入s /dt + d出s /dt = Q`（1/T日- 1 /T地） Q`为地球生态系统吸收的太阳辐射，Q为地球所受的太阳辐射，R为太阳辐射 P = 1.40 x 103 W/m2 Q = πR2地P = 1.79 x 1017 W Q ` = 66% Q = 1.18 x 1017 W 地球负熵流： △ S = - 4.47 x 1014 w/k

热学第三节．生命与生态环境 1．温室效应 ◆三大环境问题温室效应臭氧层破坏酸雨

热学第三节．生命与生态环境 ◆温室效应短波辐射透入大气长短辐射被大气中二氧化碳等所吸收

热学第三节．生命与生态环境地球表面的平均温度为15℃ 15℃的黑体辐射波长的极大值在～10μm的红外线波段 CO2主要吸收15μm的红外辐射水汽主要吸收8.5μm以下和18μm以上的红外辐射.

热学第三节．生命与生态环境

热学第三节．生命与生态环境 ◆温室效应产生原因煤炭石油和天然气二氧化碳气体

热学第三节．生命与生态环境 ◆温室效应的危害气候变暖海平面上升

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