迁移现象qianyi xianxiang

当系统内部存在着某种物理性质(如温度、密度等)的不均匀时，由于分子的热运动和频繁碰撞，使某一物理量(如热运动的能量、质量)由一处迁移到另一处，使各部分的不均匀逐渐消失的现象，又叫输运过程。迁移现象是典型的由非平衡态趋于平衡态的变化过程。
下面介绍气体中的三种迁移现象：
❶粘性现象。又称内摩擦现象，当气体各层的宏观流速不同时（压强和温度相同），平行于流速的截面两侧相邻两部分气体互施平行于截面的作用力，力的作用使流速快的气层减速，使流速慢的气层加速，这种力称为粘性力，又叫内摩擦力，粘性力服从牛顿粘性定律：f=η(du)/(dz)z₀ds。见图1,ds是与流速变化方向垂直的截面，(du)/_(dz)z0表示截面所在处(z0)流速u沿与其垂直的z方向的速度梯度，η是由实验测得的粘度系数，它与压强及温度有关，例如在p=1.013×10⁵帕，T=300开时，氢的粘度系数为η=8.42×10-⁶帕·秒。粘性定律是实验定律。
粘性现象可做如下微观解释。见图2，平衡态时气体分子作无规则热运动，热运动动量的平均值为零，当气体流动各层流速不同时，各层分子具有大小不同的定向动量，在流速大的B层内的分子，定向动量大，在流速小的A层内的分子，定向动量小。由于热运动，在相等的时间内穿过截面ds，流速不同的两层交换的分子个数相同，然而它们所携带的定向动量却不相等，结果造成定向动量由B层向A层迁移。假设在dt时间内穿过截面ds，由B层迁移到A层的定向动量为dK，它的方向与流速u的方向相同，根据动量定理dK=fdt,A层所受到的力f=_dK/dt,A层得到了一部分定向运动的动量，经相互碰撞，A层内分子的定向动量增大，其宏观效果便是粘性力f使A层流速增大；而B层失去了同样大小的定向动量，分子定向运动的动量减小，结果表现为B层受到一个大小相等、方向相反的粘性力f，使B层流速减小。所以粘性现象的实质是由于分子定向运动动量分布的不均匀而造成的分子定向动量的迁移。由输运过程的初级理论，可导出粘度系数的公式

其中ρ是气体的密度，ῡ是分子热运动的平均速率，是分子的平均自由程，这个公式与实验结果在数量级上是一致的。

❷热传导现象。见图3，气体内各处的温度不均匀时，不借助气体的宏观流动，而使热运动能量从高温部分传递到低温部分的宏观过程。根据傅里叶定律，被传递的热量为：

其中ds表示与温度变化方向垂直的截面，(dT^/dz)0表示z0处的温度梯度，dt表示观察时间_,k是热传导系数，负号表示热量是沿温度减小的方向传递的，这是一条实验定律。热传导系数是由实验测得的，例如在0℃时氮的热传导系数为k=23.7×10-³瓦/米·开。
热传导现象的微观解释：气体内各处温度不同时，温度高的地方分子热运动的平均能量大，温度低的地方分子热运动的平均能量小。由于分子的无规则热运动，在dt时间内，穿过截面ds，两侧交换的分子个数虽相等，然而它们所携带的热运动能量却不同，若TB>T^A，则由B层穿过ds到A层的分子所携带的热运动能量大，A层得到一部分热运动能量，通过碰撞A层分子的平均动能增大，则温度升高；而到B层来的分子平均热运动的能量低，通过相互碰撞，B层分子热运动的平均能量减小，则温度降低。由于热传导，系统内各处的温度将趋于一致。热传导的实质是：由于系统内各处分子热运动能量分布的不均匀，而引起的热运动能量的迁移。根据输运过程的初级理论，可导出

其中ρ是气体密度，ῡ是分子热运动的平均速率，是

分子的平均自由程，Cv是气体的定体摩尔热容。由上面公式所求得的k值与实验值在数量级上是一致的。
❸扩散现象。见图4，在混合气体内部，当某种气体的密度不均匀时，这种气体的分子将从密度大的地方移向密度小的地方。当系统内部各处压强及温度相同时，扩散规律为：

上式称为斐克定律。这是一条实验定律，其中dt是观察时间，ds是垂直于密度变化方向的截面，(dρ/dz)_z0是z0处密度沿z方向上的梯度，dM是在dt时间内穿过_ds面的质量，D是扩散系数，它由实验测定，例如氢在标准状态下的扩散系数为D=0.19×104米2/秒，负号表示质量是沿密度减小的方向迁移的。
扩散现象的微观解释：若ρB> ρA，在气体没有宏观流动的情况下，由于分子的无规则热运动，在dt时间内，穿过截面ds由A层到B层的分子数将小于由B层到A层的分子数，这样就造成了宏观上这种气体的质量沿z轴的方向由B层向A层迁移。扩散现象的实质是由于系统内某种气体密度分布的不均匀而引起的该气体的质量的迁移。由输运过程的初级理论可导出：

其中ῡ是分子热运动的平均速率，是分子的平均自由程。扩散系数的理论值与实验值在数量级上是 一致的。

图1

图2

迁移现象

又称“输运现象”。处于非平衡状态的系统，由于分子运动，使系统内发生质量、动量或能量的转移现象。有扩散（质量的迁移）、热传导（能量的迁移）和粘滞性（动量的迁移）3种。