气体扩散过程研究论文

!!!!!!!!空气的成分一般说来是比较固定的，这对于人类和其他动植物的生存是非常重要的。然而，特殊情况下，空气的成分也会发生变化。这些变化有人为的，也有天然的。人为的变化。自近代以来，随着现代化工业的发展和燃料用量的激增，从世界范围看，排放到空气中的有害气体和烟尘改变了空气的成分，并使空气受到污染。排放到空气中的气体污染物较多的是二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮等，这些气体主要来自矿物燃料（煤和石油）的燃烧和工厂排放的废气。我国是世界上燃煤最多的国家，空气污染以烟尘和燃煤污染为主。在煤燃烧过程中会产生大量烟尘和二氧化硫，造成空气污染。另外，工厂废气及汽车尾气也是污染空气的一个重要原因。这种空气成分的改变对人类造成很大的危害。由于大气中存在二氧化硫和氮氧化合物，这些物质在对流层中经过一连串的大气光化学反应，可生成硫酸和硝酸蒸气，而气态的硫酸和硝酸极易溶于云雨滴中，再经降水过程形成雨滴落下，造成酸性降雨，这就是危害极大的酸雨。被污染的空气进入人体，可导致呼吸、循环、神经等系统疾病，严重地损害人体健康。空气的污染及酸雨对农、林、渔、牧业生产所造成的损失更为严重。还有一种变化是天然的。它是地下矿藏中挥发性物质在天然条件下逸散到大气中造成的。例如，汞是许多有色金属和贵金属矿（如铜、铅、锌、金、银、钼等）的重要伴生元素，因此汞矿床或与它有关的矿床的上空都可能有汞蒸气存在。由于它在空气中扩散的范围广，比直接找矿更容易发现，根据空气中汞成分含量的分布情况能迅速找到矿床所在地。在美国内华达州北部就曾用这种方法发现一处埋藏在地下"#米的金矿带。事实上，在天然条件下，不仅汞会挥发逸散到大气中去，另外一些元素，如氟、氯、溴、碘、硫、氦、氢等也会在大气中造成强弱不等的分布变化。曾经查明，在许多金属矿床，如斑岩铜矿、黄铁矿，甚至某些煤矿的上空，二氧化硫的含量要比正常情况下高出二至六倍。我国目前在防止空气污染方面所采取的主要措施有：$）减少或防止大气污染物的排放；（%）大力开展植树造林活动，通常$公顷阔叶林可以吸收$吨二氧化碳，并放出#&’"吨氧气；（"）对空气污染源进行治理，废气经过处理才能排放到空气中。另外，对于天然原因引起的空气成分变化，可通过研究空气成分变化的情况，探察地下矿藏。总之，空气成分的变化不容忽视。

克劳修斯主要从事分子物理、热力学、蒸汽机理论、理论力学、数学等方面的研究，特别是在热力学理论、气体动理论方面建树卓著。他是历史上第一个精确表示热力学定律的科学家。1850年与兰金（WilliamJohnMa－ZquornRankine，1820～1872）各自独立地表述了热与机械功的普遍关系──热力学第一定律，并且提出蒸汽机的理想的热力学循环（兰金－克劳修斯循环）。1850年克劳修斯发表《论热的动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律》的论文。他从热是运动的观点对热机的工作过程进行了新的研究。论文首先从焦耳确立的热功当量出发，将热力学过程遵守的能量守恒定律归结为热力学第一定律，指出在热机作功的过程中一部分热量被消耗了，另一部分热量从热物体传到了冷物体。这两部分热量和所产生的功之间存在关系：。式中dQ是传递给物体的热量，dW表示所作的功，U是克劳修斯第一次引人热力学的一个新函数，是体积和温度的函数。后来开尔文把U称为物体的能量，即热力学系统的内能。论文的第二部分，在卡诺定理的基础上研究了能量的转换和传递方向问题，提出了热力学第二定律的最著名的表述形式（克劳修斯表述）：热不能自发地从较冷的物体传到较热的物体。因此克劳修斯是热力学第二定律的两个主要奠基人（另一个是开尔文）之一。在发现热力学第二定律的基础上，人们期望找到一个物理量，以建立一个普适的判据来判断自发过程的进行方向。克劳修斯首先找到了这样的物理量。1854年他发表《力学的热理论的第二定律的另一种形式》的论文，给出了可逆循环过程中热力学第二定律的数学表示形式：，而引入了一个新的后来定名为熵的态参量。1865年他发表《力学的热理论的主要方程之便于应用的形式》的论文，把这一新的态参量正式定名为熵。并将上述积分推广到更一般的循环过程，得出热力学第二定律的数学表示形式：≤0等号对应于可逆过程，不等号对应于不可逆过程。这就是著名的克劳修斯不等式。利用熵这个新函数，克劳修斯证明了：任何孤立系统中，系统的熵的总和永远不会减少，或者说自然界的自发过程是朝着熵增加的方向进行的。这就是“熵增加原理”，它是利用熵的概念所表述的热力学第二定律。后来克劳修斯不恰当地把热力学第二定律推广到整个宇宙，提出所谓“热寂说”。 在气体动理论方面克劳修斯作出了突出的贡献。克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼被称为气体动理论的三个主要奠基人。由于他们的一系列工作使气体动理论最终成为定量的系统理论。1857年克劳修斯发表《论热运动形式》的论文，以十分明晰的方式发展了气体动理论的基本思想。他假定气体中分子以同样大小的速度向各个方向随机地运动，气体分子同器壁的碰撞产生了气体的压强，第一次推导出著名的理想气体压强公式，并由此推证了玻意耳－马略特定律和盖·吕萨克定律，初步显示了气体动理论的成就。而且第一次明确提出了物理学中的统计概念，这个新概念对统计力学的发展起了开拓性的作用。1858年发表《关于气体分子的平均自由程》论文，从分析气体分子间的相互碰撞入手，引入单位时间内所发生的碰撞次数和气体分子的平均自由程的重要概念，解决了根据理论计算气体分子运动速度很大而气体扩散的传播速度很慢的矛盾，开辟了研究气体的输运过程的道路。 热力学理论的奠基者克劳修斯一生研究广泛，但最著名的成就是提出了热力学第二定律，成为热力学理论的奠基人之一。人类科学发展到19世纪，蒸汽机的应用已经十分广泛，如何进一步提高热机的效率问题越来越受到人们的重视，成了理沦物理研究的重点课题。1824年，卡诺在热质说和永动机不可能的基础上证明了后来著名的卡诺定理，这不仅推论出了热机效率的最上限，而且也包含了热力学第二定律的若干内容。此后，经过许多科学家长期的研究，到19世纪中叶，能量转化和守恒定律建立了起来，这个物理学中极其重要的普遍规律，很快就成为研究热和其他各种运动形式相互转化的坚实基础。克劳修斯从青年时代起，就决定对热力进行理论上的研究，他认为一旦在理论上有了突破，那么提高热机的效率问题就可以迎刃而解。有了明确目标，克劳修斯学习异常勤奋，他知道只有在学生阶段打下坚实的数理基础，才能在今后的研究道路上有所建树。因此，克劳修斯用了近10年时间在学校里埋头苦读。有志者事竟成，1850年，克劳修斯发表了第一篇关于热的理沦的论文——《论热的动力以及由此推出关于热本身的定律》。在论文里，他首先以当时焦耳用实验方法所确立的热功当量为基础，第一次明确提出了热力学第一定律：在一切由热产生功的情况中，必有和所产生的功成正比的热量被消耗掉；反之，消耗同样数量的功，也就会产生同样数量的热。按照这个基本定律，克劳修斯又以理想气体为例，进行进一步的论述，否定了热质理论的基本前提，即宇宙中的热量守恒，物质内部的热量是对气体分子运动论的贡献作为热力学理沦的奠基人，克劳修斯一生的成就远不止于此，他在许多方面都取得了令人瞩目的研究成果，尤其在气体分子运动论方面，人们也习惯性地把他和麦克斯韦、玻耳兹曼一起称为分子运动论的奠基人。 早在18世纪，科学家们就发现气体是由大量激烈运动的粒子组成的，气体的压力来自于粒子对器壁的碰撞。到了19世纪50年代，克劳修斯等建立了热力学理论，并用热的运动学说作为基础来进行分子运动研究，这大大促进了分子运动学说的发展。1857年，克劳修斯发表了一篇具有奠基性质的论文《论我们称之为热的那种运动》，论文内容丰富，阐述了多个有关分子运动的问题。克劳修斯从气体是运动分子集合体的观点出发，认为考察单个分子的运动既不可能也毫无意义，系统的宏观性质不是取决于一个或某些分子的运动，而是取决于大量分子运动的平均值。因此，他提出了统计平均的概念，这是建立分子运动论的前提。根据这个前提，克劳修斯建立了理想气体分子运动的模型，并强调分子的动能不仅是它们的直线运动，而且是分子中原子旋转和振荡的运动，从而正确确定了实际气体和理想气体的区别。在此基础上，克劳修斯计算了碰撞器壁的分子数和相应的分子的动量变化，并通过一系列复杂的演算和论证，最终得出了因分子碰撞而施加给器壁的压强公式，从而揭示了气体定律的微观本质。不仅如此，克劳修斯还把目光投向了气体的固态和液态。他论断说：三种聚集态中的分子都在运动，只是运动的方式有所差异而已。在1857年的论文中，克劳修斯第一次计算得到了氧、氮、氢3种气体分子在冰点时的速率。然而这个气体分子运动速度高达每秒数百米的结论，远远超出了人们的意料，因为在现实生活中，气体的扩散(比如烟雾的弥漫)过程是相当的缓慢，因此人们对于克劳修斯的研究成果表示了极大的怀疑。如何才能解释这个根据理论计算得出的分子运动速度，与气体扩散现象所显示的速度二者之间的矛盾呢?克劳修斯陷入了新的困惑之中。他意识到，自己以前把分子看作数学几何点的模型不够确切，必须加以修正。他从分析气体分子间的相互碰撞人手，把分子的作用范围作为他依据的主要概念，引人了在单位时间内所发生的碰撞数和分子运动的自由程两个概念，并得出了第一个子均自由程的公式。通过这些全新的研究方法，克劳修斯认为，尽管单个分子运动的速度非常快，但由于分子间的相互碰撞，分子运动的轨迹十分曲折，就整个分子的集合体而言，其前进的路程就更加漫长，远远小于分子运动速度绐出的结果，这也就是气体扩散缓慢的原因。克劳修斯开创性地解决了气体扩散速度小于分子运动速度之间的矛盾，终于打消了人们心头的疑虑，使得他们对于分子运动论充满了信心，开辟了研究气体运动现象的道路。 克劳修斯在1867年发表的论文“Abhandlungen über die mechanische Wärmetheorie, Zweite Abteilung”中，首次为熵概念提供了数学版本，并为它命名，他用了现已弃用的熵单位“克劳修斯”（符号为Cl）。1 Cl = 1 cal/°C = J/K 克劳修斯在其他方面贡献也很多。他从理论上论证了焦耳－楞次定律。1851年从热力学理论论证了克拉珀龙方程，故这个方程又称克拉珀龙－克劳修斯方程。1853年他发展了温差电现象的热力学理论。1857年他提出电解理论。1870年他创立了统计物理中的重要定理之一──位力定理。1879年他提出了电介质极化的理论，由此与O.莫索提各自独立地导出电介质的介电常数与其极化率之间的关系──克劳修斯－莫索提公式。主要著作有《力学的热理论》、《势函数与势》、<热理论的第二提议》等。