分子气体动力学 ppt课件
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- 古希腊的朴素原子论
- 1662, 玻意耳定律 P ∝1/V
- 1802, 道尔顿的原子论: 气体由不可再分的原子组成
- 1802, 盖吕萨克定律 V ∝T - 1810, 阿伏加德罗定律 N/V = f(T,P )
…… 伯努利模型、牛顿的微粒说
➢ 认识到气体的分子属性的必要性并不是容易的事情
▪ G.E. Uhlenbeck (1980) Ann. Rev. Fluid Mech. 12:1-9
的数量膨胀的。 (V ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱT )
➢ 阿伏加德罗（Amedeo Avogadro、1776-1856）定律 - 同体积的气体，在相同的温度和压力时，
含有相同数目的分子 （p = nkT）
- NA=6.022×1023 - 直到1860年才逐渐被认可
分子气体的认识历史
➢ 小结：气体由分子/原子组成的艰难认识过程
- 划分了流域
Kn L
连续流
滑移流
过渡流
自由分子流
4
引言
➢ 为什么学习分子气体动力学 - 气体是由分子组成的，了解气体运动规律的微观原因
状态方程、热力学第二定律、滑移边界条件
- 解决传统的连续介质气体动力学不能解决的问题
输运系数、激波结构、高空、真空或微尺度环境
- 动理论高于连续性方法并界定其适用范围
➢ 查理（Jacques Alexandre Cesar Charles,1746-1823）定律 - 1787年他发现，气体质量和体积不变时压强随温度正比变
化。 (P ∝T )
➢ 盖吕萨克（Joseph Louis Gay-Lussac, 1778-1850）定律 - 1802年他证明，各种不同的气体随温度的升高都是以相同
流动区域划分、连续性失效
- 将有效的研究思路和方法向其它领域拓展 颗粒流、交通流、信息流、金融工程、国际关系
- 学科发展和实际需求不断推动
分子气体的认识历史
➢ 古希腊关于物质组成的争论 - Democritus (460-370 B.C.)
宇宙万物都是由不可分的微小粒子 （称之为原子）所组成
物质的不同性质是由粒子的种类和运动的不同引起的
➢ 伯努利（Daniel Bernoulli，1700-1782）模型 - p1 / p2 I1 / I2
I：单位时间撞击表面的分子个数 - 推导得到了玻意耳定律 - 内含假设：分子具有相同大小和速度。
分子气体的认识历史
➢ 1802,道尔顿（John Dolton，1766-1844）的原子论 - 化学元素由不可分的微粒—原子构成，
[Reprint 2002] 2. G.A. Bird, Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Oxford
Science Publications, 2nd Rev. Edition, 1994 [Reprint 2004]. 3. 沈青，稀薄气体动力学，国防工业出版社，2003
引言
➢ 什么是分子气体动力学 - 气体动力学的一个分支，属于物理力学的范畴 - 从分子动理论的观点研究气体运动
背景
➢ 超级气体动力学 - 钱学森在研究高超声速飞行时于1946年提出
Tsien, TS, Superaerodynamics, Mechanics of rarefied gases. Journal of the Aeronautical Sciences, 13(2), pp. 653-664, 1946.
“ I still remember that once after a talk I had given these questions, an aeronautical engineer insisted that in fluid mechanics it was not necessary to know that air or water consisted of molecules, He may be right, but the behavior of fluids is also part of physics, and the molecular structure is no longer just an hypothesis.”
- Aristotle (384-332 B.C.)
强烈反对，认为世界由土、水、气、火四大元素组成， 其中每种元素都代表四种基本特性（干、湿、冷、热）中
两种特性的组合， 天体由第五种元素“以太”组成。
- 此后的很长时间内进展缓慢
分子气体的认识历史
➢ 玻意耳（Robert Boyle, 1627-1691）定律 （1662） - P V = constant - 气体由相互排斥的粒子组成
可忽略）
注：本部分内容还没有包括分子动力学。分子动力学是一种确定论的 方法，常用来描述稠密介质的运动，也有少量研究气体运动的工作。
动理论的假设
➢ 气体分子运动的描述 - 动理论：从分子微观性质和行为（成分、运动）解释气体 的宏观性质（如压力、温度等）
- 一般假设：
1）分子是最小的化学组成粒子 2）气体由不停且随机运动的分子组成（动理论） 3）分子只在碰撞时受到作用力（理想气体） 4）分子间平均距离大于分子自身（稀疏气体），二体碰撞主导 5）分子间作用通常可由经典力学描述（量子效应和相对论效应
它在一切化学变化中是不可再分的最小单位
- 同种元素的原子性质和质量都相同，不同
元素原子的性质和质量各不相同，原子质量 是元素基本特征之一
- 不同元素化合时，原子以简单整数比结合。推导并用实验
证明倍比定律。如果一种元素的质量固定时，那么另一元 素在各种化合物中的质量一定成简单整数比。
分子气体的认识历史
分子气体动力学
--- 理论与应用介绍
· 高温气体动力学国家重点实验室
内容提纲
➢ 引言（学科背景与发展简史）
➢ 气体的分子模型与统计描述
➢ 动力学模型与数值模拟技术
➢ 气体流动微观与宏观的内在联系
➢ 分子气体动力学的发展趋势和应用前景
预修课程：流体力学 参考书目： 1. W.G. Vincenti, C.H. Kruger, Introduction to Physical Gas Dynamics. Krieger, 1965
- 1662, 玻意耳定律 P ∝1/V
- 1802, 道尔顿的原子论: 气体由不可再分的原子组成
- 1802, 盖吕萨克定律 V ∝T - 1810, 阿伏加德罗定律 N/V = f(T,P )
…… 伯努利模型、牛顿的微粒说
➢ 认识到气体的分子属性的必要性并不是容易的事情
▪ G.E. Uhlenbeck (1980) Ann. Rev. Fluid Mech. 12:1-9
的数量膨胀的。 (V ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱT )
➢ 阿伏加德罗（Amedeo Avogadro、1776-1856）定律 - 同体积的气体，在相同的温度和压力时，
含有相同数目的分子 （p = nkT）
- NA=6.022×1023 - 直到1860年才逐渐被认可
分子气体的认识历史
➢ 小结：气体由分子/原子组成的艰难认识过程
- 划分了流域
Kn L
连续流
滑移流
过渡流
自由分子流
4
引言
➢ 为什么学习分子气体动力学 - 气体是由分子组成的，了解气体运动规律的微观原因
状态方程、热力学第二定律、滑移边界条件
- 解决传统的连续介质气体动力学不能解决的问题
输运系数、激波结构、高空、真空或微尺度环境
- 动理论高于连续性方法并界定其适用范围
➢ 查理（Jacques Alexandre Cesar Charles,1746-1823）定律 - 1787年他发现，气体质量和体积不变时压强随温度正比变
化。 (P ∝T )
➢ 盖吕萨克（Joseph Louis Gay-Lussac, 1778-1850）定律 - 1802年他证明，各种不同的气体随温度的升高都是以相同
流动区域划分、连续性失效
- 将有效的研究思路和方法向其它领域拓展 颗粒流、交通流、信息流、金融工程、国际关系
- 学科发展和实际需求不断推动
分子气体的认识历史
➢ 古希腊关于物质组成的争论 - Democritus (460-370 B.C.)
宇宙万物都是由不可分的微小粒子 （称之为原子）所组成
物质的不同性质是由粒子的种类和运动的不同引起的
➢ 伯努利（Daniel Bernoulli，1700-1782）模型 - p1 / p2 I1 / I2
I：单位时间撞击表面的分子个数 - 推导得到了玻意耳定律 - 内含假设：分子具有相同大小和速度。
分子气体的认识历史
➢ 1802,道尔顿（John Dolton，1766-1844）的原子论 - 化学元素由不可分的微粒—原子构成，
[Reprint 2002] 2. G.A. Bird, Molecular Gas Dynamics and the Direct Simulation of Gas Flows. Oxford
Science Publications, 2nd Rev. Edition, 1994 [Reprint 2004]. 3. 沈青，稀薄气体动力学，国防工业出版社，2003
引言
➢ 什么是分子气体动力学 - 气体动力学的一个分支，属于物理力学的范畴 - 从分子动理论的观点研究气体运动
背景
➢ 超级气体动力学 - 钱学森在研究高超声速飞行时于1946年提出
Tsien, TS, Superaerodynamics, Mechanics of rarefied gases. Journal of the Aeronautical Sciences, 13(2), pp. 653-664, 1946.
“ I still remember that once after a talk I had given these questions, an aeronautical engineer insisted that in fluid mechanics it was not necessary to know that air or water consisted of molecules, He may be right, but the behavior of fluids is also part of physics, and the molecular structure is no longer just an hypothesis.”
- Aristotle (384-332 B.C.)
强烈反对，认为世界由土、水、气、火四大元素组成， 其中每种元素都代表四种基本特性（干、湿、冷、热）中
两种特性的组合， 天体由第五种元素“以太”组成。
- 此后的很长时间内进展缓慢
分子气体的认识历史
➢ 玻意耳（Robert Boyle, 1627-1691）定律 （1662） - P V = constant - 气体由相互排斥的粒子组成
可忽略）
注：本部分内容还没有包括分子动力学。分子动力学是一种确定论的 方法，常用来描述稠密介质的运动，也有少量研究气体运动的工作。
动理论的假设
➢ 气体分子运动的描述 - 动理论：从分子微观性质和行为（成分、运动）解释气体 的宏观性质（如压力、温度等）
- 一般假设：
1）分子是最小的化学组成粒子 2）气体由不停且随机运动的分子组成（动理论） 3）分子只在碰撞时受到作用力（理想气体） 4）分子间平均距离大于分子自身（稀疏气体），二体碰撞主导 5）分子间作用通常可由经典力学描述（量子效应和相对论效应
它在一切化学变化中是不可再分的最小单位
- 同种元素的原子性质和质量都相同，不同
元素原子的性质和质量各不相同，原子质量 是元素基本特征之一
- 不同元素化合时，原子以简单整数比结合。推导并用实验
证明倍比定律。如果一种元素的质量固定时，那么另一元 素在各种化合物中的质量一定成简单整数比。
分子气体的认识历史
分子气体动力学
--- 理论与应用介绍
· 高温气体动力学国家重点实验室
内容提纲
➢ 引言（学科背景与发展简史）
➢ 气体的分子模型与统计描述
➢ 动力学模型与数值模拟技术
➢ 气体流动微观与宏观的内在联系
➢ 分子气体动力学的发展趋势和应用前景
预修课程：流体力学 参考书目： 1. W.G. Vincenti, C.H. Kruger, Introduction to Physical Gas Dynamics. Krieger, 1965