第五章气体内的运输过程知识讲解
热学 (4 第四章 气体内的输运过程)
Q
dT
A
傅立叶定律
dz 若设热流密度为JT,则：
JT
dT dz
20
T2 ( T1 )
B
温度梯度 dT
dz
z0
dS dQ
T T(z)
表示流体中温度沿z
轴方向的空间变化率。
o
T1
Ax
在dt时间内，从温度较高的一侧，通过这一平
面向温度较低的一侧所传递的热量，与这一平面所
在处的温度梯度和面积元成正比
热导率
能量流动方 向与温度梯 度方向相反
恒为正值
dQ κ dT dSdt dz z0
21
三、扩散现象的宏观规律 扩散 (diffusion)
在混合气体内部，当某种气体在各处的密度不均匀时， 这种气体将从密度大的地方向密度小的地方散布，这 种现象叫扩散。
输运过程
扩散：密度 不均匀 m的迁移
热传导：温度T不均均 热的迁移
内摩擦(黏性)： 分子定向速度u 不均匀 定向运动动量 p的迁移 22
§ 5-1 气体分子的平均自由程
一、分子的平均自由程和碰撞频率
非平衡态平衡态，碰撞起重要作用。
克劳修斯指出：气体分子的速度虽然很大，但前进中要与其 他分子作频繁的碰撞，每碰一次，分子运动方向就发生改变， 所走的路程非常曲折。
若不均
一种气体
n不均
p不均
生宏 气流
22
我们这里研究的是：纯扩散--仅仅是由于分 子的无规则运动和碰撞引起的扩散过程。
实现纯扩散的条件
气体的输运现象知识分享
流速梯度及面积可测定，故黏度
可测。
测定 实验
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二、热传导现象
如果气体内各部分的温度不同，从温度较高
处向温度较低处，将有热量的传递，这一现象就 叫热传导现象。
S T1 T2
T1
T2
x
x
设沿 x 方向温度梯度最大，实验指出，单位时 间内，通过垂直于x 轴的某指定面传递的热量与该 处的温度梯度成正比，与该面的面积成正比，即
选择进入下一节 §5-0 教学基本要求 §5-1 热运动的描述 理想气体模型和物态方程 §5-2 分子热运动和统计规律 §5-3 理想气体的压强和温度公式 §5-4 能量均分定理 理想气体的内能 §5-5 麦克斯韦速率分布律 *§5-6 麦克斯韦-玻耳兹曼能量分布律 重力场中粒
子按高度的分布 §5-7 分子碰撞和平均自由程 *§5-8 气体的输运现象 *§5-9 真实气体 范德瓦尔斯方程
介绍三种输运现象的基本规律：
黏滞现象 热传导现象 扩散现象
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一、 黏滞现象
流动中的气体 ,如果各气层的流速不相等,那么 相邻的两个气层之间的接触面上,形成一对阻碍两气 层相对运动的等值而反向的摩擦力,这种摩擦力叫黏 性力。气体的这种性质,叫黏性。
例 A盘自由，B盘由电机带动而转
则不同流层之间有黏性力。
dy
实验证明：不同流层之间（CD面处）黏滞力与
流速梯度成正比，与CD面积成正比，
F du S
dy
比例系数称为动力黏度（或黏度），±表示黏性
力成对出现，满足牛顿第三定律。
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C
M
测定 实验
B
A，B 为两筒，C 为悬丝，
气体运输的概念(二)
气体运输的概念(二)气体运输的概念概念定义•气体运输是指将气体从一个地点运送到另一个地点的过程。
•气体可以以压缩、液化或气化的形式进行运输。
•气体运输通常需要特殊的容器和设备，如气瓶、储罐和管道。
气体运输的分类1.液化气体运输–液化气体是将气体通过降温或增压使其变为液体状态，以便更方便地进行运输和储存。
–常见的液化气体包括液化石油气（LPG）、液化天然气（LNG）等。
–液化气体通常以罐车、集装箱或船舶的形式进行运输。
2.压缩气体运输–压缩气体是通过增压将气体储存为高压气体，以便更方便地进行运输和储存。
–常见的压缩气体包括工业气体、医用气体等。
–压缩气体通常以气瓶、储气罐或管道的形式进行运输。
3.气化气体运输–气化气体是将液体气体或固体气体通过升温或减压使其恢复为气体状态，以便进行运输和使用。
–常见的气化气体包括液化煤气、液化氧气等。
–气化气体通常以罐车、集装箱或管道的形式进行运输。
气体运输的特点•高能量密度：相比液体和固体，气体具有更高的能量密度，能够在相对较小的体积和重量内储存更多的能量。
•易于压缩和扩展：气体可以被相对容易地压缩为较小的体积，也可以被相对容易地扩展为较大的体积，使其更方便地进行运输。
•可燃性和易爆性：一些气体具有较高的可燃性和易爆性，需要特殊的安全措施来确保运输过程的安全性。
•温度和压力对气体性质的影响较大：气体的性质会随着温度和压力的变化而发生显著的变化，需要在运输过程中进行恰当的控制。
气体运输的应用领域•工业和化工领域：气体用于供应生产过程中的能源、燃料和原料，如燃气、氧气、氢气等。
•医疗领域：气体用于供应医院中的各种医用气体，如氧气、笑气、氩气等。
•家庭和商业领域：液化石油气（LPG）用于供应家庭和商业的燃料，如燃气灶、燃气水热器等。
•航空航天领域：液化天然气（LNG）用作舰船和飞机燃料，具有高能量密度和低污染排放的特点。
通过气体运输，人们能够方便地获取和利用气体资源，满足各种领域的需求，促进经济发展和生活改善。
气体内的输运过程
热传导：温度 T 不均匀 热的迁移； 内摩擦（粘滞）：定向速度u不均 输运过程 定向动量的迁移； 扩散：密度 不均匀 m的迁移。
热学
13
一、粘滞现象的宏观规律
1、层流 在流动过程中，相邻质点的轨迹线彼此仅稍有差别， 不同流体质点的轨迹线不相互混杂，这样的流动称 为层流。
由于分子的热运动，从而引起质量从密度大的区域 向密度小的区域迁移的现象。 d 1 2 ( z ) 密度梯度 2 dz
z z0
dM dS
表示气体的密度沿x 轴方向 的空间变化率。
在dt时间内，通过dS传递的质量
o
1
x
d dM D dSdt dz z0
热学
23
§3. 输运过程的微观解释
首先是气体分子的热运动 另一个重要原因就是分子间的碰撞。 一、粘滞现象的微观解释 气体黏性系数的导出
1 1 nmv或 v 3 3
讨论： 注意：*近平衡非平衡过程；
*气体既足够稀薄又不 太稀薄
1）、η 与n无关。 2）、 η仅仅是温度的函数。
热学
21
D 扩散系数
d dM D dSdt dz z0
' ' 表示扩散总沿减小的方向
1自扩散与互扩散 当物质中粒子数密度不均匀时，由于分子的热运动 使粒子从密度高的地方迁移到数密度低的地方的现象 称为扩散。 互扩散：发生在混合气体中，由于各成分的气体空间 分布不均匀，各成分分子均要从高密度区向低密度区 迁移的现象。 自扩散：是互扩散的一种特例
空气的平均分子量为29。
解： 已知 T 273K , p 1.0atm 1.013 105 Pa,
气体内的输运过程
1 du f ( ) z0 dA，其中 nmv 3 dz 称为牛顿黏性定律. η的单位为泊,以P表示
1P 1N s m 0.1kg m s
2
1
1
考虑到相邻两层流体中相对速度较大的流体总是受到阻力， 即速度较大一层流体受到的黏性力的方向总与速度梯度方向相反,故在式中加上负号
1 υ 平均自由程: λ 2 z 2d n 2d 2 n
式中：d为分子的有效直径，n为分子数密度。
由 p nkT n
p kT
kT λ 2 2πd p
思考 在一封闭容器中装有1mol氦气(视作理想气体)，这 时分子无规则运动的平均自由程将决定于什么？ (A)压强p (B)体积V (C)温度T (D)平均碰撞频率 z
实验发现，流体在流速较小时将作分层平行流动， 流体质点
轨迹是有规则的光滑曲线， 不同质点轨迹线不相互混杂。 这样的流体流动称为层流。 直圆管中流体流速分布如图 流速箭头的包络面为抛物面, 其平均流速箭头的包络面为 平面
稳恒层流中的黏性 牛顿黏性定律
•流 体 作 层 流 时 ， 通过任一平行于流 速的截面两侧的相 邻两层流体上作用 有一对阻止它们相 对“滑动”的切向 作用力与反作用力。
二.热传导现象的宏观规律
当系统与外界之间或系统内部各部分之间存在温度 差时就有热量的传输. 热传递有热传导、对流与辐射 三种方式，本节将讨论热传导
1. 傅里叶定律（Fourier law of heat conduction ) •1822法国科学家傅里叶（Fourier）在热质说思想的指导下 发现了傅里叶定律。 该定律认为热流dQ/dt (单位时间内 通过的热量）与温度梯度 dT /dz 及横截面积dA成正比，
气体的输运现象知识分享
我们在前面所讨论的都是气体在平衡状态下的 性质.实际上,系统各部分的物理性质，如流速、温 度或密度不均匀时，系统处于非平衡态。
处于非平衡态系统, 由于气体分子不断地相互 碰撞和相互掺和，分子之间将经常交换质量、动量 和能量，分子速度的大小和方向也不断地改变，最 后气体内各部分的物理性质将趋向均匀，气体状态 趋于平衡. 这种现象叫气体的输运现象。
则不同流层之间有黏性力。
dy
实验证明：不同流层之间（CD面处）黏滞力与
流速梯度成正比，与CD面积成正比，
F du S
dy
比例系数称为动力黏度（或黏度），±表示黏性
力成对出现，满足牛顿第三定律。
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C
M
测定 实验
B
A，B 为两筒，C 为悬丝，
M为镜面；A保持恒定转速，B会
跟着转一定角度，大小可通过M A 来测定，从而知道黏性力大小，
流速梯度及面积可测定，故黏度
可测。
测定 实验
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二、热传导现象
如果气体内各部分的温度不同，从温度较高
处向温度较低处，将有热量的传递，这一现象就 叫热传导现象。
S T1 T2
T1
T2
x
x
设沿 x 方向温度梯度最大量与该 处的温度梯度成正比，与该面的面积成正比，即
介绍三种输运现象的基本规律：
黏滞现象 热传导现象 扩散现象
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一、 黏滞现象
流动中的气体 ,如果各气层的流速不相等,那么 相邻的两个气层之间的接触面上,形成一对阻碍两气 层相对运动的等值而反向的摩擦力,这种摩擦力叫黏 性力。气体的这种性质,叫黏性。
气体的交换和运输.
呼吸生理二、气体的交换气体的交拜分为肺换气和组织换气两部分，肺换气指在呼吸器官血液与外环境间的气体交换，组织换气指在组织器官, 血液与组织细胞间的气体交换。
它们均是通过物理扩散的方式实现的。
气体扩散以物理扩散的方式进行,各种气体的扩散主要取决于各种气体分压差，气体分压差是气体交换的动力。
和交换膜的通透性及交换面积有关。
三、气体在血液中的运输在呼吸的过程中，血液担任气体运输的任务，不断把氧从肺运输到组织，又不断把二氧化碳从组织细胞运输到肺部。
（一）氧的运输氧的运输有以下两种方式，少数氧直接溶解于血液中，随血液运输到组织利用，此种方式仅占运输氧的0.8～1.5%左右。
大部分与血红蛋白结合后运输到组织被利用。
在高氧分压情况下氧进入红细胞与血红蛋白中血红素的亚铁离子结合成氧合血红蛋白，叫氧合作用。
这种结合受氧分压的影响，是可逆的。
（三） CO2的运输二氧化碳在血液中的运输有以下三种方式1、有2.7%的二氧化碳直接溶解于血液中，随血液运输2、20%的二氧化碳与血红蛋白结合成氨基甲酸血红蛋白，这种结合也是可逆的，受二氧化碳分压的影响。
在组织毛细血管处，二氧化碳与血红蛋白结合，在肺毛细血管处，二氧化碳与血红蛋白分离。
3、70%的二氧化碳以碳酸氢盐的形式运输，经组织换气，二氧化碳扩散入血液，先部分溶解于血浆，与水结合成碳酸，血浆中缺乏碳酸酐酶，反应速度慢，二氧化碳增多时，由于分压高，进入红细胞，红细胞内含有碳酸酐酶，可使二氧化碳生成碳酸的速度加快，在红细胞内的碳酸又迅速解离出碳酸氢根离子，与钾和钠离子结合。
当碳酸氢盐到肺部时，由于二氧化碳分压低，碳酸氢根离子和水结合生成碳酸，碳酸再释放出二氧化碳。
气体内的输送过程
第五章 气体内的输送过程教学目的和要求：1、掌握钢球模型下的平均自由程和碰撞频率的概念，深刻理解其物理意义。
2、深刻理解和掌握三种输送过程的微观机制和结果，掌握相应的宏观规律。
3、理解描述三种输送过程的系数的统计含义和统计方法重点和难点：λ 、z 是重点，输送过程的微观机制和统计方法是重点和难点，物理性质不均匀的描述是难点，三个输送系数和宏观规律是重点。
平衡态是一种理想状态，实际有价值的问题，是系统在外界的作用下，出现了不平衡，从而成为从一个平衡态转变成一个平衡态的过程，即输送过程，输送过程的问题是非平衡态的问题，这类问题无非有两种情况，其一，过程进行得非常剧烈和迅速，第二种情况，即过程行进得相对缓慢和微弱，这时每时每刻仍不是平衡态，但可认为大系统内的各局部区域近似为平衡态，从而可以把平衡态中的一些理论加以推广应用，所以称近平衡态问题或近平衡态过程，有时又叫非线性平衡过程，那么解决这类问题就不难了，物理意义明确，定律形式简单，但由于用到了平衡态的一些知识来解决不是平衡态的问题，所以其结果也不是很准确的。
我们用统计的方法来讨论这个问题，现在先来作个准备工作5-1 气体分子的平均自由程1平均自由程定义：两次相邻碰撞之间分子所走过路程的统计平均值称为平均自由程。
自由程λ的统计平均λ称为平均自由程。
自由程的长短是有偶然性的，我们对一个分子的自由程进行长时间的统计，或者同时对大量分子的自由程进行统计，则表现出稳定的统计平均值，这就是统计平均值。
Zv =λ2、碰撞频率和平均自由程有简单的关系：Zv=λ，λ和z 都反映了碰撞的频繁程度。
分子碰撞的越频繁，则意味着Z 越大。
而碰撞机会越多，分子运动的方向改变也越频繁，从而平均自由程λ越小。
可见λ的大小的确也能反映碰撞的频繁程度。
下面我们先来计算z ：跟踪一个分子,看它与那些分子相碰，并且在一分秒钟内能碰多少次。
不妨考虑一个分子运动，其他分子相对静止，运动的分子与这些相对静止的分子碰撞。
气体内的输运过程优秀课件
一个分子所经过的平均距离为t，而与其它分子
碰撞的平均次数是 zt，由于每碰撞一次都将结束
一段自由程，所以
t
Zt Z
二、 平均自由程公式
将分子看成是直径为d 的 弹性刚球，并假设分子A相对
于其他分子的平均速率为 u。
则平均碰撞频率：
z n d 2u t n u
t
式中：n为分子数密度。 d2 碰 撞 截 面
实验又测出在切向面积相等时,这样的 流体中的速度梯度处处相等. 而且流体层所受到的黏性力的大小是 与流体流动的速度梯度的大小成正比的。
牛顿黏性定律
•黏性力的大小与 du / dz及切向面积S成正比 .
•比例系数以η表示，称为流体的黏度或黏性系数、黏 滞系数（coefficient of viscosity)则
2）由于气体分子无规的（平动）热运动， 在相邻流体层间交换分子对的同时，交换相 邻流体层的定向运动动量。
3）结果使流动较快的一层流体失去了定向 动量，流动较慢的一层流体获得到了定向动 量，黏性力由此而产生的.
二.热传导现象的宏观规律
当系统与外界之间或系统内部各部分之间存在温度 差时就有热量的传输. 热传递有热传导、对流与辐射 三种方式，本节将讨论热传导
三、分子按自由程的分布
• 分子在任意两次连续碰撞之间所通过的自由程不同；分子
在自由程介于任一给定长度区间 x~xdx 内的分布：
设想某个时刻一组分子共N0个，运动中与组外分子相碰， 每碰一次，组内分子减少一个。设这组分子通过路程x时还 剩下N个，在下段路程dx,又减少了dN个。
分子在长度为dx的路程上，每个分子平均碰撞 dx /
气体内的输运过程
4.1 气体分子的平均自由程
《气体的交换与运输》 知识清单
《气体的交换与运输》知识清单一、气体交换的基本概念气体交换是指在生物体内或生物与环境之间，氧气（O₂）和二氧化碳（CO₂）等气体分子在不同部位之间的转移和交换过程。
这一过程对于维持生命活动至关重要，因为细胞需要不断获取氧气进行有氧呼吸，同时排出产生的二氧化碳。
气体交换主要发生在两个部位：肺（呼吸系统）和组织（细胞水平）。
在肺部，外界空气中的氧气通过呼吸运动进入肺泡，而血液中的二氧化碳则从肺泡扩散到空气中，完成气体交换，使血液富含氧气。
在组织中，富含氧气的血液通过毛细血管网到达细胞周围，氧气从血液扩散进入细胞，细胞代谢产生的二氧化碳则扩散进入血液，然后被运回肺部排出体外。
二、气体交换的原理气体交换遵循扩散原理。
扩散是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域自发移动的过程，直到浓度达到平衡。
对于气体来说，扩散的动力是浓度差。
氧气在肺泡中的浓度高于血液中的浓度，所以氧气会从肺泡扩散进入血液；而二氧化碳在血液中的浓度高于肺泡中的浓度，所以二氧化碳会从血液扩散进入肺泡。
气体扩散的速率受到多种因素的影响，包括：1、分压差：分压差越大，气体扩散的速率越快。
2、气体的分子量和溶解度：分子量小、溶解度大的气体扩散速率快。
例如，二氧化碳的分子量比氧气大，但二氧化碳在水中的溶解度比氧气高，所以二氧化碳的扩散速率相对较快。
3、扩散面积和距离：扩散面积越大、扩散距离越短，气体扩散的速率越快。
三、肺内气体交换（一）呼吸运动与肺通气呼吸运动包括吸气和呼气两个过程。
吸气时，肋间肌和膈肌收缩，胸腔容积增大，肺内压力降低，外界空气进入肺内；呼气时，肋间肌和膈肌舒张，胸腔容积减小，肺内压力升高，肺内气体排出体外。
通过呼吸运动实现的肺通气是肺内气体交换的前提条件。
（二）肺泡的结构特点肺泡是气体交换的主要场所，具有以下有利于气体交换的结构特点：1、数量众多：人体约有 3 亿到 4 亿个肺泡，大大增加了气体交换的面积。
2、肺泡壁薄：由一层扁平的上皮细胞构成，有利于气体的扩散。
生理学-呼吸(气体交换、运输、调节)
呼
吸
respiration
呼吸生理
概述 肺通气
主要 内容
肺换气和组织换气 气体在血液中的运输 呼吸运动的调节
肺换气和组织换气
气体交换的原理
气体扩散：气体分子从分压高处向分压 低处发生净转移的过程。 分压差 是气体分子扩散的动力。
气体扩散速率
气体扩散速率D ：单位时间气体扩散的容积。
生理意义：代表血液释放氧的贮备，保证代谢增 强时组织得到更多的氧。
代谢加强时，血液流经组织时释放出的氧可
达动脉血氧含量75%。
氧解离曲线移位
通常以P50作为Hb与O2亲 和力的指标， P50是Hb氧饱和度达到 50%时血液的P02, 正常值是26.5mmHg， P50增大，表明Hb与O2亲 和力下降,曲线右移； P50 减小，表明Hb与O2亲和力 增大，曲线左移。
外周化学感受器
窦 N 迷走N
A血PCO2↑
CO2进入脑组织
(CO2+H2O→H2CO3+H+ )
（ +）
延髓呼吸中枢 呼吸加深、加快
（ +）
中枢化学感受器 (主要途径)
H+对呼吸的调节
A血中 〔H+〕
外周化学感 受器途径
呼吸 加强
血液中的H＋不易通过血脑屏障, 故 对中枢化学感受器的影响很弱。
低O2对呼吸的调节
• 轻中度缺氧，刺激外周化学感受器兴奋呼 吸中枢作用强于直接抑制作用，表现为呼 吸加强； • 重毒缺氧，对呼吸中枢的直接抑制作用更 强，表现为呼吸抑制。
临床联系:
严重肺气肿、肺心病 , 肺换气障碍导致血 严重肺气肿、肺心病患者,吸氧时为什么不能给 Po2↓和 Pco2↑ ，长时间 CO2潴留使中枢化学感 予高浓度的纯氧？ 受器对 CO2 刺激作用发生适应，而外周化学感 受器对低氧刺激适应很慢，这时低Po2对外周化 学感受器的刺激成为驱动呼吸的主要刺激，此 时吸入纯氧会引起呼吸暂停，需引起注意。
气体的输运过程
2.69 1025 m3
1
2.10 107 m
2d 2n
z v 8.10 109 s 1
9
6.2 输运过程的宏观规律
当系统各部分的物理性质如流速、温度或密度 不均匀时，系统则处于非平衡态。在不受外界 干预时，系统总是要从非平衡态向平衡态过渡。 这种过渡称为输运过程。(或迁移现象).
输运过程有三种：内摩擦、热传导和扩散。它 们具有共同的宏观特性和共同的微观机构，都 是由于某些物理量不均匀，由分子热运动和碰撞 而趋向于均匀的过程。
O
A
旋转 黏度计
Q
u0
df u=u(z) dS df’
P
x
11
在流体内部z=z0处有一分界平面ds, ds上下相邻流体 层之间由于速度不同通过ds面互施大小相等方向相 反的作用力，称为内摩擦力或粘滞力。
实验表明粘滞力的大小df与该处流速梯度及ds的大
小成正比。 df du ds
dz z0
称为流体的内摩擦系数或粘滞系数；单位：帕•秒。
中碳有放射性如14C，另 O
x
一种无放射性如12C。
17
设一种组分的密度沿z轴方向减小，密度是z的
函数，其不均匀情况用密度梯度d /dz表示。
设想在z=z0处有一界面dS。实验指出，在dt内 通过dS面传递的这种组分的质量为:
dM D d dSdt
dz z0 D为扩散系数；(单位是米2/秒)
本节介绍其基本规律。
10
• 内摩擦(粘滞现象)
流体内各部分流速不同时,就 发生内摩擦现象。或叫粘滞现象。
C M B
宏观规律 设想流体被限制在两大平 行平板P、Q之间，P静止， Q以速度u0沿x方向匀速运 z 动，板间流体也被带动沿 x方向流动，但平行于板 的各层流体的流速u不同， u是z的函数。其变化情况 z0 用流速梯度du/dz表示。
《气体的交换与运输》 知识清单
《气体的交换与运输》知识清单一、气体交换的基本原理气体交换是指在机体与外界环境之间以及机体内部各部分之间，气体分子通过扩散作用进行的物质交换过程。
这一过程遵循着物理学中的分压定律和扩散定律。
分压定律指出，混合气体中每种气体的分压等于其在总压力中所占的比例乘以总压力。
在空气中，氧气约占 21%，所以在标准大气压下（约 760 mmHg），氧分压约为 160 mmHg。
而在体内，由于不同部位的气体成分和压力不同，就会产生气体的扩散。
扩散定律表明，气体分子总是从分压高的部位向分压低的部位扩散，直到分压达到平衡为止。
气体扩散的速率与气体的分压差、扩散面积、温度以及气体分子的分子量和溶解度等因素有关。
二、气体在肺内的交换1、肺泡与血液之间的气体交换肺泡是气体交换的主要场所。
肺泡内的氧分压较高，而经过组织代谢后的静脉血中的氧分压较低，二氧化碳分压则相反。
因此，氧气从肺泡扩散进入血液，二氧化碳则从血液扩散进入肺泡。
影响肺泡气体交换的因素包括：（1）呼吸膜的厚度：呼吸膜由肺泡上皮细胞、间质、毛细血管内皮细胞等组成。
呼吸膜越厚，气体交换的阻力越大。
（2）呼吸膜的面积：呼吸膜面积越大，气体交换的效率越高。
某些肺部疾病（如肺不张、肺实变）会导致呼吸膜面积减少，影响气体交换。
（3）通气/血流比值：指每分钟肺泡通气量与每分钟肺血流量的比值。
正常情况下，通气/血流比值约为 084。
当比值增大时，意味着部分肺泡未能得到充分的血流灌注，导致无效腔增大；比值减小时，则出现功能性动静脉短路，影响气体交换效率。
2、肺换气的过程吸气时，肺泡扩张，肺泡内压力低于大气压，外界空气进入肺泡。
同时，氧气通过呼吸膜扩散进入肺泡周围的毛细血管。
呼气时，肺泡回缩，肺泡内压力高于大气压，肺泡内的气体排出体外，同时血液中的二氧化碳扩散进入肺泡。
三、气体在组织中的交换1、组织与血液之间的气体交换组织细胞在代谢过程中不断消耗氧气并产生二氧化碳，使组织内的氧分压低于血液中的氧分压，二氧化碳分压则高于血液中的二氧化碳分压。
气体运输的主要形式气体运输介绍
气体运输的主要形式气体运输介绍气体运输的主要形式是物理溶解和化学结合。
气体运输是指通过血液循环，从肺泡摄取的氧气运送到组织，同时把组织细胞产生的二氧化碳运送到肺。
物理溶解约占血液运输氧总量的1.5%。
气体的溶解量取决于该气体的溶解度和分压大小，分压越高，溶解的度越大。
气体运输的主要形式气体运输的主要形式是物理溶解和化学结合。
气体运输是指通过血液循环，从肺泡摄取的氧气运送到组织，同时把组织细胞产生的二氧化碳运送到肺。
物理溶解约占血液运输氧总量的1.5%。
气体的溶解量取决于该气体的溶解度和分压大小，分压越高，溶解的度越大。
气体运输介绍1、化学结合化学结合的形式是氧合血红蛋白。
这是氧气运输的主要形式，占血液运输氧总量的98.5%。
正常人100ml动脉血中血红蛋白（Hb）结合的氧约为19.5m。
2、Hb是运输氧的主要工具，Hb与O2结合有如下特点：1、Hb与O2的可逆性结合。
2、Hb与O2结合是氧合而不是氧化，因为它不涉及电子的得失。
3、Hb与O2结合能力强4、Hb的变构效应直接影响对O2的亲和力5、结合成解离曲线呈S型。
气体气体是四种基本物质状态之一（其他三种分别为固体、液体、等离子体）。
气体可以由单个原子（如稀有气体）、一种元素组成的单质分子（如氧气）、多种元素组成化合物分子（如二氧化碳）等组成。
气体混合物可以包括多种气体物质，比如空气。
气体与液体和固体的显著区别就是气体粒子之间间隔很大。
这种间隔使得人眼很难察觉到无色气体。
气体与液体一样是流体：它可以流动，可变形。
与液体不同的是气体可以被压缩。
假如没有限制（容器或力场）的话，气体可以扩散，其体积不受限制，没有固定。
气态物质的原子或分子相互之间可以自由运动。
气体的特性介于液体和等离子体之间，气体的温度不会超过等离子体，气体的温度下限为简并态夸克气体，现在也越来越受到重视。
高密度的原子气体冷却到非常低的低温，可以依其统计特性分为玻色气体和费米气体，其他相态可以参照相态列表。
第五章气体内的运输过程
二、平均碰撞频率和平均自由程
在相同的t时间内，分子由A到B的
位移大小比它的路程小得多
A• •B
扩散速率
(位移量/时间)
平均速率 (路程/时间)
分子碰撞频率: 在单位时间内一个分子与其他分子碰撞的次数。
分子自由程:
气体分子两次相邻碰撞之间自由通过的路程。
大量分子的分子自由程与每秒碰撞次数服从统计分布规律。 可以求出平均自由程和平均碰撞次数。
平均碰撞次数
假 每个分子都是有效直径为d 的弹性小球。
定 只有某一个分子A以平均相对速率 u 运动，
其余分子都静止。
d
u
d
u
A
d
d
u
d
u
A
d
球心在圆柱 体内的分子
运动方向上，以 d 为半径的圆柱体内的分子都将
与分子A 碰撞 d2 被称为碰撞截面
t 时间内: 分子A经过路程为 u t
一秒钟内A 与其它分子
C V 气体定容比热
讨论
1）与气体密度、平均自由程、平均速率及定体比热成正比。 2）适用于温度梯度较小，满足d<<λ<<L条件的理想气体。
微观解释 气体内的热传导在微观上是分子在热运动中的输运热运动 能量的过程.
§5－4 扩散现象的宏观规律及其微观解释
扩散(diffus物io体n) 内各部分的密度不均匀时，由于分子的热运 动，从而引起质量从密度大的区域向密度小的区域迁移的
气体 氢
氮
氧
空气
( m ) 1.13107 0.599107 0.647107 7.0108
d ( m ) 2.301010 3.101010 2.901010 3.701010
东北师范大学 9-6 气体内的输运过程
一定的，它是由气体系统自身性质决定的。
1
简化处理 :
(1) 认为气体分子是刚性球，两个分子中心之间最小距离 的平均值称为有效直径 d，并且分子间的碰撞是完全弹性碰 撞；(2) 系统中气体分子的密度不很大，只要考虑两个分子 的碰撞过程就够了；(3) 当某个分子与其它分子碰撞时，可 以认为这个分子的直径为2d，而所有与它发生碰撞的分子 都看作没有大小的质点；(4) 假定被我们跟踪的分子的热运 动的相对速率的平均值为 u ，而所有与它发生碰撞的分子 都静止不动。
平均碰撞频率 Z :一个分子在单位时间内所受到 的平均碰撞次数。 二者关系
v Z
2
平均自由程 和平均碰撞频率 Z 的计算 设想：跟踪分子A，它在t 时间内与多少分子相碰。 假设：其它分子静止不动，只有分子A 在它们 之间 以平均相对速率 u 运动。
A
d2
分子A的运动轨迹为一折线，以A的中心运动轨迹 为轴线，以分子有效直径d为半径，作一曲折圆柱体。 凡中心在此圆柱体内的分子都会与A相碰。
1
y
13
系统中某种气体的密度沿z方向增大，其不均匀 情况用密度梯度d/dz表示。设想在z=z0 处有一界 面S。实验指出，在dt内通过S面传递的气体质 量为 d 其中系数D为扩散系数
dm D Sdt dz z0
从气体动理论的观点来看，扩散过程是气体分子
携带自身的质量输运的宏观表现。 根据分子运动论可导出 D 1 v 3 扩散系数取决于系统中分子的平均速率及平均自由
由于下层中的分子携带较小的定向 z 运动动量 mu1 ，通过S迁移到上层 中。又由于分子的碰撞，定向运动 F z0 动量被均匀化，所以上层中定向运 动动量减小。与此同时，上层中的 O 分子携带较大的定向运动动量 mu2 ， x 通过S迁移到下层中，使下层中 定向运动动量增大。
气体运输
2.肺泡通气量＝(潮气量-无效腔量)×呼吸频率
= 4.2～6.3 L/min 解剖无效腔：无气体交换能力的腔（从上呼吸道 →呼吸性细支气管）。 肺泡无效腔：因无血流通过而不能进行气体交换 的肺泡腔。 生理无效腔＝解剖无效腔＋肺泡无效腔
复习思考题
1.胸膜腔内负压是如何形成的？有什么生理意义？ 2.什么叫肺泡表面张力？肺泡表面活性物质有什 么生理意义？ 3.为什么用生理盐水扩张肺阻力较小？ 4.无效腔对肺泡通气量有何影响？ 5.为什么说时间肺活量更能反映肺通气功能？
结论： 胸膜腔内负压是脏层胸膜受到两个相反作用力相 互抵消的代数和,经脏层胸膜间接反映在胸膜腔的压 力。
(5)生理意义:
纽带作用； 维持肺处于扩张状态； 促进血液和淋巴液的回流。
（二）肺通气的阻力
呼吸运动产生的动力,在克服肺通气所遇到的阻 力后,方能实现肺通气。阻力增高是临床肺通气障碍 的常见原因。 弹 胸廓弹性阻力：与胸廓所处的位置有关 性 阻 肺 力 肺弹性阻力 肺泡表面张力：2/3 通 肺弹性回缩力: 1/3 气 阻 非 气道阻力：与气体流动形式+气道半径有关 力 弹 性 粘滞阻力 阻 常态下可忽略不计 力 惯性阻力
膈肌和肋间外肌舒张， 肋骨和膈肌弹性回位， 缩小胸廓 上下、前后、左右径
膈肌收缩使膈顶下移， 增大胸廓的上下径 肋间外肌收缩使肋骨上提, 扩大胸廓前后、左右径 胸廓容积扩大， 肺在胸膜腔负压作用下被动扩张 (因肺无主动扩缩的组织结构)
胸廓容积缩小, 肺被动缩小 肺内压＞大气压， 气体经呼吸道出肺
呼 气
(二) 肺通气量： ⒈每分通气量＝潮气量×呼吸频率(次/分)
= 6～8 L/min
最大通气量=最大限度潮气量×最快呼吸频率(次/分) = 70～120 L/min
气体输送
气体输送设备气体输送机械应用广泛类型也较多，就工作原理而言，它与液体输送机械大体相同，都是通过类似的方式想流体做功使流体获得机械能量。
但气体与液体物性有很大的不同，因而气体输送机械有自己的特点。
（1）由于气体密度很小，对输送一定质量流量的气体时，其体积流量大，因而气体输送机械的体积大，进出口管中的流速也大。
（2）由于气体的可压缩性，当气体压强变化时，其体积和温度也将随之发生变化。
这对气体输送机械的结构和形状有较大影响。
气体输送设备分类：通风机、鼓风机、压缩机和真空泵分类:按结构分为：离心式和往复式按出口压力分：通风机：终压不大于1.471×104Pa (表压)，压缩比< 1.15；鼓风机：终压不大于1.471~29.2×104Pa (表压) ，压缩比< 4；压缩机：终压> 29.2×104Pa (表压) ，压缩比> 4真空泵：终压接近于0，压缩比由真空度决定；从设备中抽出气体，使设备中产生负压离心式通风机离心式通风机的基本结构和单级离心泵相似。
机壳是蜗壳形，但机壳断面有方形和圆形两种。
一般低、中压通风机多为方形，如图2-21所示，高压的多为圆形原理：吸入口吸入空气，在叶轮的作用下在机壳内流动，最后从排出口出来。
离心鼓风机离心鼓风机的送气量大，但所产生的风压不高，出口表压强一般不超过294×103Pa。
由于在离心鼓风机中，压缩比不高，所以无需冷却装置，各级叶轮的直径也大致相同。
离心鼓风机的选用方法与离心通风机相同。
其内部结构与离心式通风机相似，空气从进风口进去，里面有叶轮，在叶轮的作用下空气被压缩，一级不够第二级继续压缩，共三级。
最后从出风口出来。
离心式压缩机离心式压缩机常称为透平压缩机，它的主要结构、工作原理都与离心鼓风机相似，但离心压缩机的叶轮级数多，通常在10级以上，且转速较高，故能产生更高的压强。
从上图可以看到，此设备有左右两个压缩缸，气体从4进去，经过两次压缩从3出来。
气体内的输运过程
学习主要内容： 1、气体近平衡态三个输运过程的宏观规律；2、建立适合讨论输运过程的分子模型和微观量；3、用统计 物理方法揭示输运规律微观本质；4、线性不可逆过程热力学；5、非线性概念及远离平衡态的非平衡过程； 6、信息熵，信息量 共有六节 §5-1 近平衡态输运过程的宏观规律 §5-2 无引力弹性刚球模型和平均自由程 §5-3 输运过程宏观规律的微观解释 §5-4 线性不可逆过程热力学 §5-5 非线性概念、远离平衡态的非平衡过程 §5-6 热学新进展——信息热力学
dQ = −k dT dsdt dZ Z0
其中 k 为导热系数，与分子种类有关， k ∝ T 0.7 ，与压强 P 无关。
3、 扩散现象及实验定律 （1）扩散现象 因存在密度的分布而出现的质量由密度部分向密度部分输运的现象。只讨论自扩散：分子质量和有效 直径基本相同，无热传导，无粘滞现象。 （2）斐克定律
+L
输入之和
ar1
=
r F1 m
, ar2
=
r F2 m
ar1 + ar2 + L 为各输入的输出之和
ar
=
r F
输入之和
r F
的输出
m
ar = ar1 + ar2 + L 输入之和的输出等于各输入的输出之和
2、线性规律 线性系统变化过程的动力学因果关系呈现出线性变化的关系。
如单吧摆在θ → 0 条件下可称为线性系统，其动力学方程为
通过以上三方面讨论，说明气体动理论能够较好地定性说明输运过程宏观规律的本质，显示
其成功一面。所出现的η，K , D 与实验的偏差，原因在于没考虑分子按速率分布，把分子看作刚
性球而忽略了引力以及用平衡态理论研究。
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气体 氢
氮
氧
空气
( m ) 1.13107 0.599107 0.647107 7.0108
d ( m ) 2.301010 3.101010 2.901010 3.701010
例 计算空气分子在标准状态下的平均自由程和平 均碰撞频率。取分子的有效直径d=3.510-10m。已知 空气的平均分子量为29。
流体的不规则运动。
3、稳恒层流中的粘滞现象
内摩擦现象
z
y
u=u（z）
内摩擦 流体内各部分流动速度不同时,就发生内摩擦现象.
相邻流体层之间由于速度不同引起的相互作用力称为内摩 擦力,也叫粘滞力.
流体沿x方向流速是z的函数
z
L
uv 0
B
流速梯度 d u
v
dz
z0
df v dS df
u u(z)
沿z方向所出现的流速
相应圆柱体体积为 u t
发生碰撞的 平均次数
圆柱体内 分子数
n ut
Z nut nu
t
实际上一切分子都在运动
u 2v
平均自பைடு நூலகம்程
单位时间内分子A经过路程为 v
单位时间内A与其它分子发生碰撞的平均次数 Z
平均自由程 v 1 Z 2d2n
与分子的有效直径的平方和分子数密度成反比
p nkT
二、平均碰撞频率和平均自由程
在相同的t时间内，分子由A到B的
位移大小比它的路程小得多
A• •B
扩散速率
(位移量/时间)
平均速率 (路程/时间)
分子碰撞频率: 在单位时间内一个分子与其他分子碰撞的次数。
分子自由程:
气体分子两次相邻碰撞之间自由通过的路程。
大量分子的分子自由程与每秒碰撞次数服从统计分布规律。 可以求出平均自由程和平均碰撞次数。
z0
df v dS df
u u(z) 从下向上垂直越过dS面.
o
u0
A x n 分子数密度
假定1： 等几率
在dt时间内从下向上垂直越过dS 面的平均气体分子数:
1 nvdSdt 6
这些分子是经过最后一次碰撞越过dS面的,
它们离dS面的平均距离为平均自由程 ,所以
假定2： 一次碰撞 同化
在dt时间内,由于分子热运动从下向上带过dS面的定向
气体内的输运过程
输运过程
系统各部分的物理性质，如流速、温度或密度不均匀时， 系统处于非平衡态。
非平衡态问题是至今没有完全解决的问题， 理论只能处理一部分，另一部分问题还在研究中。
最简单的非平衡态问题：不受外界干扰时，系统自发地从非 平衡态向物理性质均匀的平衡态过渡过程 --- 输运过程
介绍三种输运过程的基本规律：
气体的内摩擦现象在微观上是分子在热运动中的输运定 向动量的过程.也就是分子在热运动中通过dS面交换定 向动量的结果.
z
L
uv 0 B
v
z0
df
dS
v df
u u(z)
o
u0
Ax
u 宏观流速 v 分子热运动平均速率 如果 uv
可认为气体处于平衡态
z
L
uv 0
B
根据分子热运动的各向同性,
v
总分子中平均有1/6 的分子
平均碰撞次数
假 每个分子都是有效直径为d 的弹性小球。
定 只有某一个分子A以平均相对速率 u 运动，
其余分子都静止。
d
u
d
u
A
d
d
u
d
u
A
d
球心在圆柱 体内的分子
运动方向上，以 d 为半径的圆柱体内的分子都将
与分子A 碰撞 d2 被称为碰撞截面
t 时间内: 分子A经过路程为 u t
一秒钟内A 与其它分子
粘滞现象
热传导 扩散
§5－1 平均碰撞频率和平均自由程
一、分子间碰撞与无引力的弹性刚球模型
气体分子 平均速率
矛盾
v 1.60 RT M mol
氮气分子在270C时的平均 速率为476m.s-1.
气体分子热运动平均速率高， 但气体扩散过程进行得相当慢。
要考虑分子 的体积了！
气体分子的速度虽然很大，但前进中 要与其他分子作频繁的碰撞，每碰一 次，分子运动方向就发生改变，所走 的路程非常曲折。
空气分子在标准状态下 v
8RT 448m/s
的平均速率
Mmol
zv6.9 4 4 1 8 0 86.5 109s 1
§5－2 粘滞现象的宏观规律及其微观解释
1、层流 2、湍流
在流动过程中，相邻质点的轨迹线彼此仅稍有差别，
不同流体质点的轨迹线不相互混杂，这样的流动称
为层流。
uur
x ur U1
U2
又uz0 uz0 2dduzz0
故dp13nmvdSdtdduzz0
z
L
z0
uv 0
B
v df v dS df
u u(z)
dp13nmvdSdtdduzz0
dp
o
u0
内摩擦力 d f
Ax
dt
df 13nmvdSdduzz0 13vdSdduzz0
又Qdf dduzz0 dS
1 v
3
解： 已知 T273K ,p1.0atm 1.013105P a, d3.51010m
kT 2 d 2 p
1 .4 1 3 .1 4 1 . 3 8 (3 .5 1 0 1 2 0 3 1 0 2 )7 3 1 .0 1 1 0 5 6 .9 1 0 8m
空气摩尔质量为2910-3kg/mol
kT 2d 2 p
当温度恒定时,平均自由程与气体压强成反比
平均自由程与压强、温度的关系
v 1 z 2d2n
p nkT
kT T
2d 2 p
p
T = 273K：
p(atm)
(m)
1
～7×10-8
10-7
～0.7（灯泡内）
10-11 ～7×103（几百公里高空）
在标准状态下，几种气体分子的平均自由程
§5－3 热传导现象的宏观规律及其微观解释
o
u0
Ax
空间变化率。
4、牛顿粘滞定律：
由于流速不均匀， A部分受到B部分的一 个平行与x 轴的力，方 向沿x轴正方向，大小 与接触面积及速度梯 度有关。
f du dS
dz z0
为粘滞系数
z
L
uv 0
B
v
z0
df
dS
v df
u u(z)
o
u0
Ax
它的单位是N.s.m-2
液体内的粘滞力主要起源于分子间的相互作用力，但气体分子 之间的相互作用力很弱。那么气体的粘滞现象是什么引起的？
动量等于分子处于 z 0 的定向动量
z
L
uv 0
B
z 0 处的定向动量
v
z0 o
df dS
v df
u0
u u(z)
Ax
1 dp1 6nvdSdtmuz0
同理,在dt时间内,由于分子热运动从上向下带过dS
面的定向动量
1 dp2 6nvdSdtmuz0
可得dS面上方气体的定向动量增量
1 d p d p 1 d p 26n v d S d tm (u z0 u z0 )