第1章 非平衡态热力学2
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• 非平衡态热力学揭示了不同传递特性间一些有价值的普遍联系。
现代物化 非平衡态热力学
PAGE9
2020年9月18日星期五
传递现象
(Transport Phenomenon)
扩散(Diffusion) --物质传递
热传导(Thermal Conduction) --热量传递
粘滞性(Viscosity) --动量传递
现代物化 非平衡态热力学
PAGE14
2020年9月18日星期五
传递现象 (Transport Phenomenon)
2. 三种传递现象具有类似的唯象规律 以“通量”或“流”表示传递的速率,其量纲为
[物质的量]
[ 热 量 ] [面积]-1 [时间]-1
[ 动量 ]
引起传递的宏观原因为“梯度”或称之为“力”, 其量纲为
现代物化 非平衡态热力学
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2020年9月18日星期五
1.3.2 流和力的关系
diS dt
Qain / in dt
1 ( Ta
1 Tb
)
流和力总是同号,σ=JX≥0
现代物化 非平衡态热力学
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2020年9月18日星期五
1.3.2 流与力的关系
不可逆过程的发生和流与力有关。流是效果,力是
• 传递可概括为物质传递(扩散)、热量传递(热传导)和动量传递。 从机理来说,可区分为分子传递与旋涡传递,旋涡传递属于流体力 学,不可逆过程热力学研究的是分子传递现象。
• 扩散、热传导和动量传递有着相同的微观本质:是分子、离子、原 子等微观粒子的热运动。可以用费克定律、傅里叶定律和牛顿定律 来描述。
负号表明扩散方向与梯度方向相反
现代物化 非平衡态热力学
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2020年9月18日星期五
传递现象-例题
例1. 在一厚度为 l 的惰性多孔板两边,分别放置浓度为 cB0 和 cBl 的稀溶液, cB0 > cBl, 溶质B由 cB0 处通过多孔板向 cBl 处扩散。由 于溶液量很大,且一直在均匀搅拌,因此浓度不变,扩散呈恒稳
2020年9月18日星期五
1.3.1 热力学力与热力学流的表示
diS dt
Qain / in dt
1 ( Ta
1 Tb )
定义: 流:J Qain/ in
dt
力:X
1 ( Ta
1 Tb
)
现代物化 非平衡态热力学
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2020年9月18日星期五
2.3.1 热力学力与热力学流的表示
若元胞内存在多个不可逆过程:热传导、扩散和化学 反应,则熵产生率为多个过程的流和力的乘积之和:
为导热系数或称热导率,量纲为 J K-1 m-1 s-1
现代物化 非平衡态热力学
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传递现象-例题
例2. 有一面积为 1 m2, 厚度为 6 mm 的塑料平板,两面维持一个 2 K 的温度差。达到恒稳状态后测得热流为 30 W。试计算该塑 料 平板的热导率。
现代物化 非平衡态热力学
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传递现象-扩散(Diffusion)
扩散(Diffusion) --物质传递
现代物化 非平衡态热力学
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传递现象-热传导(Thermal Conduction)
热传导(Thermal Conduction) --热量传递
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传递现象-粘滞性(Viscosity)
粘滞性(Viscosity) --动量传递
现代物化 非平衡态热力学
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传递现象 (Transport Phenomenon)
总结:
1. 从微观成因看,物质传递、热量传递和动量 传递都是由于分子的无规则热运动引起的, 是大量分子热运动的统计平均行为。为与因 流体整体运动引起的传递相区分,我们称上 述三种传递现象为分子传递现象
cB0 l
现代物化 非平衡态热力学
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传递现象-例题
为求浓度在板内的分布,建立微分方程如下:
在恒稳状态下,通量不随位置变化 djB 0 以费克定律代入,可得微分方程 dz
D d 2cB 0 dz 2
积分此式可得: cB a b z
代入边界条件: z 0, cB cB0; z l, cB cBl
J kX
现代物化 非平衡态热力学
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费克定律(Fick’s Law)
一、费克定律(Fick’s Law)
jBz
DBA
dcB dz
jBz为物质通量,即单位时间通过单位面积的物质B的数量, 量纲为 mol m-2 s-1
DBA为扩散系数,完整的说是B在A-B二元体系中的扩散系数 量纲为 m2 s-1
现代物化 非平衡态热力学
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1.3.1 热力学力与热力学流的表示
对a相,获得的热量: Qa Qian/out+Qain / in
对b相,获得的热量:
Qb Qibn/out+Qbin / in
设a与b相内温度均匀,无不可逆过程发生,则
dSa
Qain / in Ta
Qain / out Tout
dSb
Qbin / in Tb
Qbin / out Tout
现代物化 非平衡态热力学
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2020年9月18日星期五
2.3.1 热力学力与热力学流的表示
dS Qain/in +Qian/out
Ta
Tout
(
Qbin Tb
/
in
Qbin / out Tout
)
(
原因 J=f(X)
假设在平衡态:力为X0 、流为J0 若在X0处用泰勒级数展开:
J
J0
(X0
)
(
J X )X0
(X
X0
)
1 2
(
2J X2
)X0
(X
X0
)2
在平衡态:J0=0,X0=0,无力无流
J
J ( X )X0
X
1 2
2J ( X2
)X0
X2
现代物化 非平衡态热力学
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Qain Ta
/
in
Qbin / in Tb
)
(
Qain / out Tout
Qbin / out Tout
)
Qain /
in
1 ( Ta
1 Tb
)
(
Qain / out Tout
Qbin / out Tout
)
现代物化 非平衡态热力学
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1.3.1 热力学力与热力学流的表示
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2020年9月18日星期五
牛顿定律(Newton’s Law)
三、牛顿定律(Newton’s Law)
Pzy
dvy dz
Pzy为动量通量,即单位时间沿着z方向通过单位平面的动量(y
方向),量纲为 kg m-1 s-2 也可表示为 N m-2
动量通量即为各层流体间的内摩擦力,称之为剪切应力,zy
传递现象-讨论
关于上述三个定律的几点说明:
1. 以上定律均按一维传递建立的方程,是最简形式。若考虑三 维的传递,方程应为:
费克定律
jB
DBA
cB x
i
cB y
j cB x
k
或记为
jB DBAcB
傅立叶定律
q T
物质通量与热通量均为向量,沿浓度场或温度场的梯度方向 动量通量涉及两个方向是二维张量
牛顿定律也可表示为
zy
dvy dz
为粘度或称动力粘度,量纲为 N m-2 s 或 Pa s
过去常用泊( poise )或厘泊(cp),1 cp =1×10-3 Pa s
现代物化 非平衡态热力学
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传递现象-例题
例3. 在两平行板间有某流体,设下板固定,上板以 vy= 0.3 m s-1的 速度运动。两板间距为 0.3 mm, 已知该流体粘度为0.7×10-3 Pa s, 求剪切应力
[ 浓度 ]
[ 温 度 ] [长度]-1
现代物[化 速非平衡度态热] 力学
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传递现象 (Transport Phenomenon)
通量与梯度之间存在着函数关系,这一关系是传递现 象动力学的基本关系式。
J f (X)
在梯度不大的情况下,三种传递现象的通量与梯度 之间均为正比关系。
状态。设已知扩散系数为 D,求溶质B的物质通量,以及浓度在板
内的分布。
解:当扩散处于恒稳状态,浓度在各处不随 时间变化,在板内各处不会有物质积累。对 于平板而言,通量将不随位置变化,浓度梯 度为恒定值。
浓度梯度为
dcB cBl cB0
dz
l
则由费克定律,B的物质通量为
jB
D dcB dz
D cBl
1.3.2 传递现象流和力的关系
传递现象在化学和化工、生命、材料、环境等领域中占有重要地位。譬如: •扩散、精馏塔、吸收塔、萃取塔的效率 •多相催化的反应速率、水溶液和熔盐电解的效率 •动植物细胞中物质的传递 •环境污染物的传播,云雾的生成 •固体中的物质扩散,如钢铁的渗碳,半导体材料的掺杂,沸石的离子交换 •气体在高分子膜中的扩散,氢气在金属中的溶解 •高分子材料在溶剂中的溶胀等。
如果体系的状态离平衡态不远,则产生流的力很小, 即X很小,上列展开式中的高次项更小以至可以忽 略不计,故对于近平衡态的非平衡体系,有:
J=LX
上式说明,近平衡系统的流与力之间呈线性关系。
如:
热流:
q=T
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常见的热力学力与流
流和力之间的关系往往是线性的
σ=
d is = dt
jq (T1 )-
i
jmi
(μTi
)+
rρ
ρ,i
(-
νi,ρμi) T
热力学流JK
不可逆过程的速率
现代物化 非平衡态热力学
dq jq dt :
热流
jm i
dnm i dt
:
物质流
d
r
: dt
反应速度
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1.3.1 热力学力与热力学流的表示
σ=
d is = dt
jq (T1 )-
i
jmi
(μTi
)+
rρ
ρ,i
(-
νi,ρμi) T
热力学力XK
不可逆过程的推动力 决定方向和限度
( 1 ) T
-( i ) T
ii
T
温度梯度 化学势梯度 化学亲和势
元胞的熵产生:σ=Σσi=ΣJX
现代物化 非平衡态热力学
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解:热通量为 qz 30J s1 /1m2 30J m2 s1
对于平板,当达到恒稳状态,温度分布为线性分布,温度梯
度为:
dT dz
2K 6103 m
0.333103 K m1
则由傅立叶定律,qz
dT dz
,可得热导率为:
qz 9102 J K 1 m1 s1
dT / dz
现代物化 非平衡态热力学
可求得 a cB0 , b (cB0 cBl ) / l
所以浓度在板内的分布为:
cB
cB0
(cB0
cBl )
z l
现代物化 非平衡态热力学
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傅立叶定律( Fourier’s Law )
二、傅立叶定律(Fourier’s Law)
qz
dT dz
qz为热通量,即单位时间通过单位面积的热量, 量纲为 J m-2 s-1
JU
T2
T1
T2 T1 T1T2
1 T1
1 T2
XU
J n c2 c1 J n 2 1
现代物化 非平衡态热力学
其中:熵产生:
diS
Qain / in
(
1 Ta
1 Tb
)
熵流:
deS
(
Qain / out Tout
Qbin / out Tout
)
若所研究的传热体系a或b是元胞,则可 用熵产生率表示单位体积、单位时间的熵 产生:
diS dt
Qain / in dt
1 ( Ta
1 Tb
)
现代物化 非平衡态热力学
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第1章 非平衡态热力学
Non-equilibrium Thermodynamics
第二讲 热力学力与热力学流 熵产生速率的基本方程
现代物化 非平衡态热力学
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2020年9月18日星期五
1.3 热力学力与热力学流
以封闭系统的热传导为例
Qian/out
T环
Qian/in
Ta
Qibn/in
Tb
Qb in/out T环
1.3.2 流与力的关系
(1)在平衡态附近,(X-X0)很小,X2→0
结论: J (J X ) X0 X L X
在平衡态附近,J与X成线性关系,称 为非平衡态的线性区。相应的热力学称非平衡 态线性热力学
L 称为唯象系数, L>0,不一定是常数。
现代物化 非平衡态热力学
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2020年9月18日星期五
解: 可设为恒稳状态,两板间流速呈线性分布,流速梯度为:
dvy dz
0.3m s1 0m s1 0.3103 m
1103 s1
则由牛顿定律, zy
dvy dz
,可得剪切应力为:
zy
dvy dzFra Baidu bibliotek
0.7 103 Pa s 1103 s1
0.7Pa
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传递现象
(Transport Phenomenon)
扩散(Diffusion) --物质传递
热传导(Thermal Conduction) --热量传递
粘滞性(Viscosity) --动量传递
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传递现象 (Transport Phenomenon)
2. 三种传递现象具有类似的唯象规律 以“通量”或“流”表示传递的速率,其量纲为
[物质的量]
[ 热 量 ] [面积]-1 [时间]-1
[ 动量 ]
引起传递的宏观原因为“梯度”或称之为“力”, 其量纲为
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1.3.2 流和力的关系
diS dt
Qain / in dt
1 ( Ta
1 Tb
)
流和力总是同号,σ=JX≥0
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1.3.2 流与力的关系
不可逆过程的发生和流与力有关。流是效果,力是
• 传递可概括为物质传递(扩散)、热量传递(热传导)和动量传递。 从机理来说,可区分为分子传递与旋涡传递,旋涡传递属于流体力 学,不可逆过程热力学研究的是分子传递现象。
• 扩散、热传导和动量传递有着相同的微观本质:是分子、离子、原 子等微观粒子的热运动。可以用费克定律、傅里叶定律和牛顿定律 来描述。
负号表明扩散方向与梯度方向相反
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传递现象-例题
例1. 在一厚度为 l 的惰性多孔板两边,分别放置浓度为 cB0 和 cBl 的稀溶液, cB0 > cBl, 溶质B由 cB0 处通过多孔板向 cBl 处扩散。由 于溶液量很大,且一直在均匀搅拌,因此浓度不变,扩散呈恒稳
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1.3.1 热力学力与热力学流的表示
diS dt
Qain / in dt
1 ( Ta
1 Tb )
定义: 流:J Qain/ in
dt
力:X
1 ( Ta
1 Tb
)
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2.3.1 热力学力与热力学流的表示
若元胞内存在多个不可逆过程:热传导、扩散和化学 反应,则熵产生率为多个过程的流和力的乘积之和:
为导热系数或称热导率,量纲为 J K-1 m-1 s-1
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传递现象-例题
例2. 有一面积为 1 m2, 厚度为 6 mm 的塑料平板,两面维持一个 2 K 的温度差。达到恒稳状态后测得热流为 30 W。试计算该塑 料 平板的热导率。
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传递现象-扩散(Diffusion)
扩散(Diffusion) --物质传递
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传递现象-热传导(Thermal Conduction)
热传导(Thermal Conduction) --热量传递
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传递现象-粘滞性(Viscosity)
粘滞性(Viscosity) --动量传递
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传递现象 (Transport Phenomenon)
总结:
1. 从微观成因看,物质传递、热量传递和动量 传递都是由于分子的无规则热运动引起的, 是大量分子热运动的统计平均行为。为与因 流体整体运动引起的传递相区分,我们称上 述三种传递现象为分子传递现象
cB0 l
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传递现象-例题
为求浓度在板内的分布,建立微分方程如下:
在恒稳状态下,通量不随位置变化 djB 0 以费克定律代入,可得微分方程 dz
D d 2cB 0 dz 2
积分此式可得: cB a b z
代入边界条件: z 0, cB cB0; z l, cB cBl
J kX
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费克定律(Fick’s Law)
一、费克定律(Fick’s Law)
jBz
DBA
dcB dz
jBz为物质通量,即单位时间通过单位面积的物质B的数量, 量纲为 mol m-2 s-1
DBA为扩散系数,完整的说是B在A-B二元体系中的扩散系数 量纲为 m2 s-1
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1.3.1 热力学力与热力学流的表示
对a相,获得的热量: Qa Qian/out+Qain / in
对b相,获得的热量:
Qb Qibn/out+Qbin / in
设a与b相内温度均匀,无不可逆过程发生,则
dSa
Qain / in Ta
Qain / out Tout
dSb
Qbin / in Tb
Qbin / out Tout
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2.3.1 热力学力与热力学流的表示
dS Qain/in +Qian/out
Ta
Tout
(
Qbin Tb
/
in
Qbin / out Tout
)
(
原因 J=f(X)
假设在平衡态:力为X0 、流为J0 若在X0处用泰勒级数展开:
J
J0
(X0
)
(
J X )X0
(X
X0
)
1 2
(
2J X2
)X0
(X
X0
)2
在平衡态:J0=0,X0=0,无力无流
J
J ( X )X0
X
1 2
2J ( X2
)X0
X2
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Qain Ta
/
in
Qbin / in Tb
)
(
Qain / out Tout
Qbin / out Tout
)
Qain /
in
1 ( Ta
1 Tb
)
(
Qain / out Tout
Qbin / out Tout
)
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1.3.1 热力学力与热力学流的表示
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牛顿定律(Newton’s Law)
三、牛顿定律(Newton’s Law)
Pzy
dvy dz
Pzy为动量通量,即单位时间沿着z方向通过单位平面的动量(y
方向),量纲为 kg m-1 s-2 也可表示为 N m-2
动量通量即为各层流体间的内摩擦力,称之为剪切应力,zy
传递现象-讨论
关于上述三个定律的几点说明:
1. 以上定律均按一维传递建立的方程,是最简形式。若考虑三 维的传递,方程应为:
费克定律
jB
DBA
cB x
i
cB y
j cB x
k
或记为
jB DBAcB
傅立叶定律
q T
物质通量与热通量均为向量,沿浓度场或温度场的梯度方向 动量通量涉及两个方向是二维张量
牛顿定律也可表示为
zy
dvy dz
为粘度或称动力粘度,量纲为 N m-2 s 或 Pa s
过去常用泊( poise )或厘泊(cp),1 cp =1×10-3 Pa s
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传递现象-例题
例3. 在两平行板间有某流体,设下板固定,上板以 vy= 0.3 m s-1的 速度运动。两板间距为 0.3 mm, 已知该流体粘度为0.7×10-3 Pa s, 求剪切应力
[ 浓度 ]
[ 温 度 ] [长度]-1
现代物[化 速非平衡度态热] 力学
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传递现象 (Transport Phenomenon)
通量与梯度之间存在着函数关系,这一关系是传递现 象动力学的基本关系式。
J f (X)
在梯度不大的情况下,三种传递现象的通量与梯度 之间均为正比关系。
状态。设已知扩散系数为 D,求溶质B的物质通量,以及浓度在板
内的分布。
解:当扩散处于恒稳状态,浓度在各处不随 时间变化,在板内各处不会有物质积累。对 于平板而言,通量将不随位置变化,浓度梯 度为恒定值。
浓度梯度为
dcB cBl cB0
dz
l
则由费克定律,B的物质通量为
jB
D dcB dz
D cBl
1.3.2 传递现象流和力的关系
传递现象在化学和化工、生命、材料、环境等领域中占有重要地位。譬如: •扩散、精馏塔、吸收塔、萃取塔的效率 •多相催化的反应速率、水溶液和熔盐电解的效率 •动植物细胞中物质的传递 •环境污染物的传播,云雾的生成 •固体中的物质扩散,如钢铁的渗碳,半导体材料的掺杂,沸石的离子交换 •气体在高分子膜中的扩散,氢气在金属中的溶解 •高分子材料在溶剂中的溶胀等。
如果体系的状态离平衡态不远,则产生流的力很小, 即X很小,上列展开式中的高次项更小以至可以忽 略不计,故对于近平衡态的非平衡体系,有:
J=LX
上式说明,近平衡系统的流与力之间呈线性关系。
如:
热流:
q=T
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常见的热力学力与流
流和力之间的关系往往是线性的
σ=
d is = dt
jq (T1 )-
i
jmi
(μTi
)+
rρ
ρ,i
(-
νi,ρμi) T
热力学流JK
不可逆过程的速率
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dq jq dt :
热流
jm i
dnm i dt
:
物质流
d
r
: dt
反应速度
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1.3.1 热力学力与热力学流的表示
σ=
d is = dt
jq (T1 )-
i
jmi
(μTi
)+
rρ
ρ,i
(-
νi,ρμi) T
热力学力XK
不可逆过程的推动力 决定方向和限度
( 1 ) T
-( i ) T
ii
T
温度梯度 化学势梯度 化学亲和势
元胞的熵产生:σ=Σσi=ΣJX
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PAGE8
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解:热通量为 qz 30J s1 /1m2 30J m2 s1
对于平板,当达到恒稳状态,温度分布为线性分布,温度梯
度为:
dT dz
2K 6103 m
0.333103 K m1
则由傅立叶定律,qz
dT dz
,可得热导率为:
qz 9102 J K 1 m1 s1
dT / dz
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可求得 a cB0 , b (cB0 cBl ) / l
所以浓度在板内的分布为:
cB
cB0
(cB0
cBl )
z l
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傅立叶定律( Fourier’s Law )
二、傅立叶定律(Fourier’s Law)
qz
dT dz
qz为热通量,即单位时间通过单位面积的热量, 量纲为 J m-2 s-1
JU
T2
T1
T2 T1 T1T2
1 T1
1 T2
XU
J n c2 c1 J n 2 1
现代物化 非平衡态热力学
其中:熵产生:
diS
Qain / in
(
1 Ta
1 Tb
)
熵流:
deS
(
Qain / out Tout
Qbin / out Tout
)
若所研究的传热体系a或b是元胞,则可 用熵产生率表示单位体积、单位时间的熵 产生:
diS dt
Qain / in dt
1 ( Ta
1 Tb
)
现代物化 非平衡态热力学
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第1章 非平衡态热力学
Non-equilibrium Thermodynamics
第二讲 热力学力与热力学流 熵产生速率的基本方程
现代物化 非平衡态热力学
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2020年9月18日星期五
1.3 热力学力与热力学流
以封闭系统的热传导为例
Qian/out
T环
Qian/in
Ta
Qibn/in
Tb
Qb in/out T环
1.3.2 流与力的关系
(1)在平衡态附近,(X-X0)很小,X2→0
结论: J (J X ) X0 X L X
在平衡态附近,J与X成线性关系,称 为非平衡态的线性区。相应的热力学称非平衡 态线性热力学
L 称为唯象系数, L>0,不一定是常数。
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解: 可设为恒稳状态,两板间流速呈线性分布,流速梯度为:
dvy dz
0.3m s1 0m s1 0.3103 m
1103 s1
则由牛顿定律, zy
dvy dz
,可得剪切应力为:
zy
dvy dzFra Baidu bibliotek
0.7 103 Pa s 1103 s1
0.7Pa
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