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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 专业学科区 » 物理 » 原子、分子&光学 » 请用分子运动论解释气体流动过程
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我是蚯蚓

银虫 (初入文坛)

[求助] 请用分子运动论解释气体流动过程

气体的膨胀做功，大量气体分子撞击壁面产生压力。若温度相等且恒定，用一个活塞分隔两部分气体的话，则压力差实际上反应的是两部分气体密度差。两部分压力相等则密度相等，压力不同则密度不同，密度大的一侧比密度小的一侧在一瞬间撞击活塞的分子数多，所以宏观上压力高的一侧产生的力大压力小的一侧产生的力小，活塞受力不平衡使活塞运动，直到两边压力相等受力平衡后活塞不运动。若在一段圆柱形管道连接着无限大压力容器与外界大气，管道中间被隔板隔开，则管道中有半段高压气体和半段低压气体，当隔板突然消失后两部分气体相遇，低压部分气体不像活塞那样密不透风，高压气体密度大向密度小的低压气体膨胀体，那么低压气体部分会像活塞似的被高压气体压着走吗？假设能被压着走此时低压部分分气体分子是通过什么获得移动的速度的？若不能被推着走那么气体是怎么动起来的？这个问题困扰了我有一段时间了，老师也讲不明白，写的有点繁琐，还请学哥学姐多多关照帮我答疑解惑，谢谢

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嘿嘿
1楼 2014-10-22 00:07:50
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peterflyer

木虫之王 (文学泰斗)

peterflyer

【答案】应助回帖

感谢参与，应助指数 +1
低压气体的分子可以通过气体分子之间的弹性碰撞从高压气体分子那里获得能量，从而提高其移动速度。
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3楼2014-10-22 10:17:24
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uvwxmc

金虫 (正式写手)
密度有‘数密度’和‘质量密度’之分。在分子运动论水平上用‘数密度’，也就是分子数密度比较合适。

高压侧既然和低压侧温度相同，那自然数密度不同了，高压侧的分子多。分子热平衡建立在频繁碰撞的基础上。常温下分子平均线速度是几百米/秒，自由程只有10~100nm级别，可想碰撞频繁度。有压强差的时候压力波前扩散是很快的，声速级别的，毕竟分子线速度都那么快了。既然自由程那么短，碰撞频繁，低压侧分子怎么可能面对汹涌的敌人独善其身呢，自然被裹挟夹带顺流而出了。在界面处有扩散，但是扩散速度比压力波前传播速度要小得多。
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6楼2014-10-22 19:22:36
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peterflyer

木虫之王 (文学泰斗)

peterflyer
引用回帖:
4楼: Originally posted by 我是蚯蚓 at 2014-10-22 10:40:28
谢谢您的讲解，但是还有一些不明白，在温度相同的情况下高压区的气体分子与低压区的气体分子的热运动相同呀，就是说高压区分子撞击低压去分子与高压区分子撞击高压区分子或低压区分子撞击低压区分子效果上是一样的 ...

温度一样，分子的动能是一样的；但是分子除了动能以外还有势能，尤其是高压下的分子具有压力势能，这在伯努利方程中就有阐述的。压力势能也应该能够向动能发生转换的。
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7楼2014-10-22 20:36:22
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peterflyer

木虫之王 (文学泰斗)

peterflyer
引用回帖:
8楼: Originally posted by 我是蚯蚓 at 2014-10-22 21:45:30
压力势能是气体做工的潜在的一种能力，如果两部分压力相同的气体相遇压力势能就表现不出来，如果高压气体遇到低压气体则压力势能就可以表现出来，这就是(火用)减少(火无)增加，可用能减少的例子，也表现了势能是一 ...

这方面我认为还是分子间大量随机的碰撞导致密度大的分子从所在区域向密度小的分子团所在区域扩张的问题吧。
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9楼2014-10-22 22:26:15
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uvwxmc

金虫 (正式写手)
引用回帖:
12楼: Originally posted by 我是蚯蚓 at 2014-10-23 15:05:38
那么压力波怎么用微观解释
...

紧贴界面的分子是获得了自由空间可以冲出去，但是稍靠内侧的分子处于‘气体内部’，本来应该处于压力平衡状态，不会向任何方向冲的。但是第一排的人跑了，第二排的人就成了第一排了，本来有第一排的人提供碰撞反弹机会的，但是他们跑了，第二排的一部分人就扑空了，扑空还等啥，没人拦你就冲呗，所以第二排的人也冲出去了。相邻两排人之间有个小延时，也就是等于负压波向内传播；而冲出去的人也不是能一直保持第一排第二排第三排的原有排序，记得分子速度是个宽阔的分布吧，个别分子而言，绝对速度有快有慢，方向更是朝向各方，所以按照频繁碰撞和分子混沌性假设，只能在每个瞬间谈论第一排第二排，前面的器壁附近分子的向低压侧冲锋运动的分析在每个瞬间成立，宏观上对应正压波向前传播的过程。如果不是管而是异形扩张通道，就更需要用‘波前’的概念了。
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13楼2014-10-23 15:36:00
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我是蚯蚓

银虫 (初入文坛)
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2楼2014-10-22 09:50:23
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我是蚯蚓

银虫 (初入文坛)
引用回帖:
3楼: Originally posted by peterflyer at 2014-10-22 10:17:24
低压气体的分子可以通过气体分子之间的弹性碰撞从高压气体分子那里获得能量，从而提高其移动速度。

谢谢您的讲解，但是还有一些不明白，在温度相同的情况下高压区的气体分子与低压区的气体分子的热运动相同呀，就是说高压区分子撞击低压去分子与高压区分子撞击高压区分子或低压区分子撞击低压区分子效果上是一样的，撞击后两个相同的能量相加再均分那么撞击前后两个分子的能量不变，那么动能的增加来自那里的能量转移呀

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嘿嘿
4楼2014-10-22 10:40:28
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我是蚯蚓

银虫 (初入文坛)
引用回帖:
3楼: Originally posted by peterflyer at 2014-10-22 10:17:24
低压气体的分子可以通过气体分子之间的弹性碰撞从高压气体分子那里获得能量，从而提高其移动速度。

谢谢您的讲解，但是还有一点不明白，相同温度下，分子的热运动都差不多，高压区分子与高压区分子撞击与低压区分子撞击低压区分子或高压区分子与低压区分子相撞的效果是一样的，都是相同的两部分能量相加再均分，相撞前后分子能量变化相同，那么动能的增加来自什么能量的转化呀，谢谢

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5楼2014-10-22 10:48:24
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我是蚯蚓

银虫 (初入文坛)
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7楼: Originally posted by peterflyer at 2014-10-22 20:36:22
温度一样，分子的动能是一样的；但是分子除了动能以外还有势能，尤其是高压下的分子具有压力势能，这在伯努利方程中就有阐述的。压力势能也应该能够向动能发生转换的。...

压力势能是气体做工的潜在的一种能力，如果两部分压力相同的气体相遇压力势能就表现不出来，如果高压气体遇到低压气体则压力势能就可以表现出来，这就是(火用)减少(火无)增加，可用能减少的例子，也表现了势能是一种相对来说的能量。回到问题上来，压力势能的宏观表现是压力吧，而压力产生的原因是分子热运动的强度和分子的密度共同决定的，温度相同的情况下则热运动的强度相同，分子密度不同，分子密度就是产生压力势能的原因，那高压气体做功是通过膨胀，体积变大密度减小，压力势能变小了。那么低压气体分子不像活塞一样密不投风，会被高压气体膨胀做功推着走吗

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8楼2014-10-22 21:45:30
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我是蚯蚓

银虫 (初入文坛)
引用回帖:
6楼: Originally posted by uvwxmc at 2014-10-22 19:22:36
密度有‘数密度’和‘质量密度’之分。在分子运动论水平上用‘数密度’，也就是分子数密度比较合适。

高压侧既然和低压侧温度相同，那自然数密度不同了，高压侧的分子多。分子热平衡建立在频繁碰撞的基础上。常温 ...

您的回答要我的思路清新的很多，首先扩散速度慢，并且只发生在边界附近，对于气体流动起的作用微乎其微。第二使气体流速改变的原因是压力波的存在，那么压力波是什么，压力波是怎么使压力势能转换为动能的，您能能用分子运动论解释一下压力波的产生和传播过程吗，对您的耐心回答我真的不胜感激。

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10楼2014-10-23 12:32:32
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