氣體的輸運現象

氣體的輸運現象是在非平衡狀態下，氣體各部分之間動量、能量、質量等物理量傳遞、交換過程中的現象。

基本介紹

• 中文名：氣體的輸運現象
• 主要研究：粘滯性、熱傳導和擴散
• 起始時間：1859年
• 熱流逸：較低壓強下出現的一種擴散現象

簡介

概述

氣體的輸運現象又稱為遷移現象。一個孤立系統，經過足夠長的時間，最後總要達到平衡態。在趨向平衡態的過程中,由於動量的傳遞,氣體各部分間的巨觀相對運動將消失；由於能量的傳遞，氣體各部分間的溫度差異將消失；由於質量的傳遞，氣體各部分間的密度差異也將消失。這些過程統稱為輸運過程。

來源

氣體的輸運現象來源於分子間的碰撞，因而與氣體分子的平均自由程有密切關係。在有限的容器中，平均自由程與容器線度相比的相對大小決定了輸運過程的具體性質。平均自由程的大小由氣體的壓強決定，因而在不同壓強下，有限容器如管道內氣體的輸運機理有很大差別。通常分以下三種情況：

①較高壓強下,氣體分子的平均自由程較小，即遠小於管道的直徑分子間的碰撞頻率，遠大於分子對器壁的碰撞頻率，物理量的輸運主要靠氣體分子之間的碰撞。

②較低壓強下,氣體分子的平均自由程較大，即大於管道直徑時，分子對器壁的碰撞頻率大於分子間的碰撞頻率，物理量的輸運主要靠氣體分子對器壁的碰撞。

③壓強介於以上兩種情況之間,即氣體分子的平均自由程接近管道直徑時，則需要綜合考慮。

研究方向

氣體的輸運現象

氣體的輸運現象主要研究粘滯性、熱傳導和擴散。

粘滯性

內摩擦

由於氣體各部分的運動速度不同，各部分之間或氣體與器壁之間有相對運動，導致氣體的動量沿垂直於氣體速度方向由高速區傳向低速區，產生摩擦效應。在不同壓強下，摩擦的情況不同。
較高壓強下，這時氣體分子的平均自由程比管道截面的尺寸小得多,可把氣體按Л的大小分成許多與管軸相平行的氣層。越靠近管壁的氣層，相對管壁的流動速度越慢。此時，由於氣層數目多，可認為動量沿各氣層連續改變，並依靠分子之間的碰撞作用由一層傳遞到相鄰的一層。層與層之間由摩擦作用表現出粘滯性。這種粘滯性又稱為內摩擦。摩擦力d與垂直於管軸方向的流速變化率d/d及作用面積d成正比，可表述為如下圖的公式，

氣體的輸運現象

此式最初由巨觀實驗總結出來，稱為牛頓粘滯定律。比例係數稱為粘滯係數（或內摩擦係數）,其數值要由實驗測定（表1）。

表一

氣體的輸運現象1859年J.C.麥克斯韋用速度分布函式的概念和平均自由程Л，首先推算出
式中為氣體的分子數密度,為每個氣體分子的質量,尌為分子熱運動的平均速度,Л為分子的平均自由程。1904年J.H.金斯考慮了分子的速度住留效應（分子在碰後的平均速度與碰前的速度有關，總的效果是保留了一部分碰前速度）之後，得到=0.4607尌。1916年S.查普曼和1917年D.恩斯庫格根據玻耳茲曼方程，從更嚴密的數學方法入手，進而推算非平衡態過程的物理常數，得到=0.499尌，這個結果可認為是比較精確的。
在這個壓強範圍內，內摩擦係數一般與壓強無關，而與氣體分子量的二次方根成正比，與氣體分子有效直徑的二次方成反比，並隨溫度的升高而增大。其國際單位是帕〔斯卡〕·秒(Pa·s)，CGS制表示的內摩擦係數的單位是泊(P)。

氣體的輸運現象

外摩擦

較低壓強下，這時氣體分子的平均自由程大於管道截面直徑。由於分子之間的碰撞很少，所以沒有顯著的動量交換，以致分子間的內摩擦可以忽略。氣體分子與管壁之間的碰撞占主要地位，氣流與管壁之間的相對速度所造成的摩擦作用稱為外摩擦。
滑動現象

中等壓強下，當氣體分子的平均自由程接近並略小於管道截面的直徑時，可把氣體按平均自由程的大小分成幾層，這時內摩擦、外摩擦作用有同等的重要性。從巨觀來看，貼近管壁的氣層與器壁間有速度躍變，稱為滑動現象。
由於各部分氣體溫度不同，或器壁間、器壁與氣體間溫度不同，使熱量通過氣體分子熱運動從高溫區轉向低溫區而產生的傳熱效應。此時，能量由高溫區傳向低溫區。

熱傳導

氣體傳熱現象還可由另一些機製造成，如對流、輻射等。熱傳導僅指輸運過程的氣體分子傳熱。
① 較高壓強下，這時的氣體熱傳導問題與內摩擦問題十分類似。若有一對溫度不同的平行板，那么單位時間的傳熱量 d與垂直於平行板方向的溫度梯度d/d及作用面積d成正比，公式可表示為如下圖：

氣體的輸運現象

這就是由巨觀實驗總結出來的傅立葉熱傳導定律。比例係數稱為熱導率或導熱係數，其數值由實驗測定（表2）。

表2

氣體的輸運現象1859年麥克斯韋首先由理論推算出=с，其中с為定容比熱容，的單位是瓦(特)每米開〔W/(cm·K)〕。1913年A.T.奧伊肯及稍後查普曼和恩斯庫格從更嚴格的方法入手得到如下圖的公式：

氣體的輸運現象

其中γ為氣體的比熱容比。由此可推出的值：單原子氣體為2.5；雙原子氣體為1.9；多原子氣體為 1.75以至更小些。由於с與壓強無關，與溫度的關係也較小，所以熱傳導係數與壓強、溫度的關係同內摩擦係數的情況類似。
② 較低壓強下，稀薄氣體的傳熱決定於單個分子與器壁的碰撞。若有一對溫度不同的平行板，兩者的溫差為Δ，那么，分子將與高溫板壁碰撞獲取能量，然後反射並與低溫板壁碰撞交出能量。因此，單位時間的傳熱量與單位時間碰撞在單位面積上的分子數、每個分子可攜帶的能量、分子與板壁碰撞可交換能量的程度、溫差以及作用面積的大小成正比。
③ 中等壓強下，氣體分子的平均自由程與器壁的尺寸有同樣的數量級。能量遷移與壓強的關係介於高、低壓強的傳熱情況之間，在板壁附近有與速度躍變相類似的溫度躍變現象。
綜上所述，在較低壓強區傳熱量與壓強成正比，在中等壓強區傳熱量仍與壓強有關。利用這兩個區間的熱傳導原理，可以測量氣體壓強，製成熱傳導真空計。當>時,熱傳導隨壓強而降低，利用這一特性可以使系統間達到熱絕緣的目的。如暖瓶具有真空夾層，因此保溫性能好。大氣壓強下，空氣分子的平均自由程約 0.1μm，若採用具有不大於 0.1μm直徑孔隙的材料如氣凝膠、蛭石、珠光砂、矽膠、石棉粉、硅藻土、玻璃棉等，同樣可以隔熱保溫。用棉花、絲棉、駝毛作冬衣穿在身上能保暖，也是這個道理。
由於氣體各部分的密度不同，使氣體分子從密度較大的區域自發地傳遞到密度較小的區域，此時被輸運的是質量。由密度梯度引起的氣體擴散，主要分為二種：一是自擴散──同一種氣體因本身密度不同而引起的擴散；一是互擴散──發生在不同種氣體間的擴散。在某些特殊情況下，由於溫度差別，也會引起質量的輸運。真空技術中稱這種輸運現象為熱流逸。

自擴散

在密度梯度的作用下，分子從高密度區域向低密度區域傳遞。單位時間的質量遷移d與密度梯度及作用面積d成正比，公式可表示為如下圖：

氣體的輸運現象

這就是斐克擴散定律，比例係數稱為擴散係數，其數值由實驗測定，單位是平方米每秒（m/s）。擴散係數=1.2～1.5，它隨溫度的升高而增大，隨氣體分子量的減小而增加，見表3。

表三

氣體的輸運現象互擴散　在氣體混合物中，當各成分的氣體在各處的密度不同時，每種成分的分子也要從它的高密度區域向低密度區域移動。其擴散規律與自擴散類同，其擴散係數稱為互擴散係數，見表3。