本章目标
为第五部分准备非平衡现象的基本语言:平均自由程、三种输运过程及其分子运动论估计、扩散方程与随机行走、流体力学中的雷诺数与斯托克斯阻力、熵产生与昂萨格关系。
§P5.1平均自由程与碰撞频率
把分子看成直径为 d 的硬球,碰撞截面 σ=πd2((P1.19))。一个分子运动距离 l 时扫过体积 σl,其中的分子都会被它撞到。若其他分子静止,碰撞数为 nσl。实际上其他分子也在运动,碰撞频率应该用相对速度计算:Γ=nσ⟨vrel⟩。
相对速率。两个分子的速度独立地服从麦克斯韦分布 (5.10),联合分布 ∝exp[−m(v12+v22)/2kBT]。由 (P1.18),21mv12+21mv22=21(2m)V2+21μvrel2,μ=m/2;这个变量替换是线性的,雅可比行列式为常数。所以相对速度服从质量为 μ=m/2 的麦克斯韦分布,由 (5.12),⟨vrel⟩=8kBT/πμ=2⟨v⟩。于是
Γ=2nσ⟨v⟩,ℓmfp=Γ⟨v⟩=2nσ1(P5.1)
例:0 °C、1 atm 的 N2,d≈0.37 nm,σ≈4.3×10−19 m2,n≈2.7×1025 m−3,得 ℓmfp≈60 nm,约为分子间平均距离(约 3 nm)的 20 倍;⟨v⟩≈450 m/s,所以每个分子每秒约碰撞 7×109 次。
§P5.2三种输运过程与扩散方程
系统偏离平衡时,若某种守恒量(粒子数、动量、能量)的密度不均匀,就会产生相应的流。实验上的线性定律:
Jn=−D∇n (菲克定律),Pxy=−η∂y∂ux (牛顿黏滞定律),Jq=−κ∇T (傅里叶定律)(P5.2)
D、η、κ 分别是扩散系数、黏滞系数、热导率;Pxy 是 x 方向动量沿 y 方向的流(即剪切应力的大小),ux 是流体的平均流速。
分子运动论的估计。设每个分子携带某个量 Q(扩散:Q 为"是否为示踪分子"的标记;黏滞:Q=mux;热传导:Q 为每个分子的能量),Q 的平均值沿 z 方向有梯度。粗略地设分子以速率 ⟨v⟩ 沿 ±x,±y,±z 六个方向各占 1/6 地运动,并且在穿过平面 z 之前,最后一次碰撞发生在距离约 ℓmfp 处,带着那里的 Q 值。单位时间、单位面积从下方穿过的分子数为 61n⟨v⟩,从上方穿过的也是如此,所以净流为
JQ=61n⟨v⟩[Q(z−ℓmfp)−Q(z+ℓmfp)]≈−31n⟨v⟩ℓmfpdzdQ
与 (P5.2) 比较:
D≈31⟨v⟩ℓmfp,η≈31nm⟨v⟩ℓmfp,κ≈31ncv⟨v⟩ℓmfp(P5.3)
(cv 是每个分子的定容热容。)这个模型很粗糙,数值系数需要第25章的玻尔兹曼方程才能严格确定,但它给出了正确的定性结论。一个著名的例子:把 (P5.1) 代入,η≈m⟨v⟩/(32σ) 与气体密度无关。麦克斯韦在 1860 年得到这一"反直觉"的预言(气体越稀薄,携带动量的分子越少,但每个分子把动量带得越远,两者恰好抵消),随后的实验证实了它,成为分子运动论的有力证据。
扩散方程。粒子数守恒给出连续性方程 ∂n/∂t+∇⋅Jn=0(提示 A11),代入菲克定律:
∂t∂n=D∇2n(P5.4)
一维情形,设 t=0 时 N 个粒子都在原点。可以直接代入验证(对 t 求导与对 x 求两次导,两边相等),
n(x,t)=4πDtNe−x2/4Dt(P5.5)
是 (P5.4) 的解。与 (2.5) 比较,这是方差为 2Dt 的高斯分布:⟨x2⟩=2Dt;三维中三个方向独立,⟨r2⟩=6Dt。扩散距离正比于 t,而不是 t。
与随机行走的联系。设粒子每隔时间 τ 随机地向左或向右走一步,步长 a。t 时刻共走了 Ns=t/τ 步,由 §2.2 的结果(x=a∑isi,各步独立,每步 ⟨si2⟩=1),⟨x2⟩=Nsa2=a2t/τ,并且分布趋于高斯分布(§2.4)。与 ⟨x2⟩=2Dt 比较:
D=2τa2(P5.6)
微观的随机行走在宏观上表现为扩散——这是第23章布朗运动理论与第30章高分子链统计的共同出发点。
§P5.3流体力学初步:雷诺数与斯托克斯阻力
流体的质量守恒同样由连续性方程描述:∂ρ/∂t+∇⋅(ρu)=0。描述流体运动时有两种力相互竞争:惯性(单位体积约 ρu2/L,L 为流动的特征尺度、u 为特征速度)与黏滞力(由 (P5.2),单位体积约 ηu/L2)。二者之比称为雷诺数:
Re=ηρuL(P5.7)
Re≫1 时惯性主导,流动可能变成湍流;Re≪1 时黏滞主导,流动平稳且对外力的响应是线性的。
物理输入
在 Re≪1 时,半径为 a 的球以速度 u 在黏滞系数为 η 的流体中运动,所受阻力为 F=−6πηau(斯托克斯定律,由流体力学方程求解得到)。
例:半径 1 μm 的胶体粒子在水中以 1 μm/s 运动,Re≈103×10−6×10−6/10−3=10−6,斯托克斯定律完全适用。第23章将由均分定理与斯托克斯阻力推出布朗粒子的扩散系数 D=kBT/(6πηa)(斯托克斯–爱因斯坦关系)。
§P5.4不可逆过程热力学:熵产生、流与力
局域平衡。若宏观量在空间上变化得足够缓慢,可以设想系统被分成许多小体积元,每个体积元内部处于平衡态,有各自的温度 T(r)、化学势 μ(r)。于是热力学关系在每个体积元内仍然成立,而熵可以在体积元之间流动,并在不可逆过程中产生。
例:热传导的熵产生。两个温度分别为 T1、T2 的物体接触,热流(能量流)JU 从 1 流向 2。在时间 dt 内,物体 1 失去能量 JUdt,物体 2 得到同样多的能量,总熵的变化率为
dtdS=JU(T21−T11)≥0(P5.8)
(由 (1.8),dSi=dUi/Ti。)它总是正的,因为热只从高温流向低温。写成"流 × 力"的形式:流是 JU,与之共轭的"力"是 Δ(1/T)。推广到连续介质,单位体积的熵产生率为
σs=JU⋅∇T1−Jn⋅∇Tμ ≥ 0(P5.9)
(第二项来自粒子流,与 (1.8) 中 ∂S/∂N=−μ/T 相对应。)
线性关系与昂萨格倒易关系。在接近平衡时,各种流是各种力的线性函数:Ji=∑jLijXj。例如只有热传导时,JU=L∇(1/T)=−(L/T2)∇T,即傅里叶定律,κ=L/T2。熵产生 σs=∑i,jXiLijXj≥0 对任意的力都成立,所以系数矩阵 L 是半正定的(提示 B1),特别地 Lii≥0——热导率、扩散系数、电导率都不可能为负。当多种流与力同时存在时,还有交叉效应:温度梯度引起电流(塞贝克效应)或粒子流(热扩散),电流引起热流(佩尔捷效应)。昂萨格在 1931 年证明:在适当选取流与力之后,
Lij=Lji(P5.10)
例如它给出佩尔捷系数与塞贝克系数之间的开尔文关系。昂萨格的证明依赖于微观动力学的时间反演对称性(§P1.2)与涨落的回归假设,这正是第24章的主题;这里只把 (P5.10) 作为结论预告。
自测题
- 由 (P5.3) 证明 κ/η=cv/m,并说明这个比值与气体的密度、平均自由程都无关。
- 由 (P5.5) 估计:室温下小分子在水中的扩散系数约为 10−9 m2/s,扩散 1 mm 与 1 cm 大约各需多少时间?[答:约 8 分钟;约 14 小时(一维估计 t=x2/2D)]
- 两个物体之间的热流为 JU=K(T1−T2)(K>0)。用 (P5.8) 验证熵产生为正,并把 K 用 L11 与温度表示。[答:K≈L11/T2(温差小时)]
这一篇已记为读完。