《气体物理学导论》课件

气体物理学导论课程概述课程目标主要内容学习方法掌握气体物理基本理论气体基本性质理论与实验结合理解气体行为规律动理论与热力学工程应用领域第一章气体的基本概念气体的定义理想气体物质的气态形式分子间无相互作用实际气体气体的宏观性质温度分子平均动能的度量压力单位面积上的力体积气体所占空间大小理想气体状态方程波义耳定律压强与体积成反比查理定律温度与体积成正比盖-吕萨克定律温度与压强成正比理想气体状态方程的应用计算示例常见问题工程应用等温过程计算单位转换气体储存计算等压过程计算非标准条件处理气体流动预测等容过程计算混合气体处理工艺参数确定实际气体的行为理想气体近似1低压高温条件下范德瓦尔斯方程2考虑分子相互作用临界点3气液相变特殊状态第二章气体动理论基础分子运动论布朗运动统计规律气体分子随机运动微粒无规则运动宏观性质源于微观统计气体分子的速度分布分子平均自由程10^-710^910^3平均自由程大小单位时间碰撞次数平均速率常温常压下约

0.1微米分子间高频碰撞常温下约1000米/秒气体的输运现象扩散浓度梯度驱动传质热传导温度梯度驱动传热粘性速度梯度驱动动量传递第三章气体的热力学性质热力学第一定律能量守恒内能分子平均动能总和焓内能与体积功之和熵系统无序程度的度量气体的比热容定容比热容定压比热容比热比体积不变时所需热量压力不变时所需热量γ=Cp/Cv单原子气体3R/2单原子气体5R/2单原子气体5/3二原子气体5R/2二原子气体7R/2二原子气体7/5绝热过程热力学第二定律卡诺循环熵增原理理想热机循环孤立系统熵总增加效率限制3热量传递方向热机效率1-Tc/Th高温向低温自发传递第四章气体的声学性质1声波本质2传播特性气体中的压力波纵波传播3声速公式4影响因素c=√γRT/M温度、分子质量、比热比气体中的声波方程一维波动方程三维波动方程声阻抗∂²p/∂t²=c²∂²p/∂x²∇²p=1/c²∂²p/∂t²Z=ρc气体声学应用超声波检测无损探伤技术声学测距空间距离精确测量流量计量气体流速精确测定医学成像人体内部结构显示第五章气体的电学性质等离子体状态电离过程高度电离气体气体绝缘态高能撞击产生离子常温常压下不导电气体放电现象电晕放电弧光放电火花放电尖端附近气体电离现象大电流持续放电瞬时高压击穿气体中的电子运动第六章气体的光学性质透明度多数气体对可见光透明折射率与密度相关，接近1色散现象不同波长折射率不同散射特性瑞利散射导致天空蓝色气体光谱吸收光谱发射光谱应用领域分子吸收特定波长光激发态分子辐射光子天文观测形成暗线形成亮线环境监测用于成分分析元素特征指纹工业分析气体激光原理泵浦能级反转受激辐射光放大激发气体分子高能级粒子数超过低能级光子触发能量释放形成相干光束第七章气体在工程中的应用气体储存与运输高压气瓶低温储罐运输方式压缩气体储存液化气体储存管道运输20-300巴压力体积大幅减小槽车运输轻便易于运输需隔热保温船舶运输气体分离技术低温分离利用沸点差异吸附分离利用吸附选择性膜分离利用渗透速率差异化学分离利用化学反应选择性第八章大气物理学基础对流层10-12公里平流层212-50公里中间层350-85公里热层485-500公里大气压强与温度分布垂直压强分布随高度指数递减温度垂直分布对流层温度随高度减小水平分布受纬度、海陆分布影响大气动力学地转风热成风受地球自转影响温差驱动气流2海陆风地形风昼夜温差引起循环地形影响气流分布第九章气体在环境中的作用温室效应臭氧层酸雨形成温室气体阻碍热辐射吸收紫外线辐射气体溶解形成酸性降水导致地表温度升高保护生物免受伤害影响生态系统碳循环调节平流层中形成腐蚀建筑物大气污染90%室内污染死亡发生在发展中国家

4.2M年死亡人数室外空气污染导致91%世界人口比例生活在污染超标地区80%城市比例空气质量不达标气象学基础天气系统高低压系统相互作用锋面不同气团交界处降水形成水汽凝结过程气象预报数值模式预测第十章气体在航空航天中的应用亚音速马赫数

0.8跨音速

0.8马赫数

1.2超音速

1.2马赫数

5.0高超音速马赫数

5.0再入大气层问题气动加热高速摩擦产生高温热防护吸热材料与隔热设计气动力控制保持稳定姿态降低热流燃气动力系统火箭发动机喷气发动机超燃冲压发动机推进剂燃烧产生高速气流压缩空气与燃料混合燃烧高超音速推进系统第十一章气体在能源领域的应用天然气氢能沼气清洁化石能源零碳排放能源载体生物质能源合成气工业燃料与原料燃料电池技术氢气输入高纯度氢气供应电极反应阳极氢氧化，阴极氧还原离子传导电解质允许离子通过电能输出产生电流与热量气体储能第十二章气体在工业过程中的应用化学工业食品工业原料气体与催化剂保鲜包装与速冻1234冶金工业电子工业保护气氛与还原剂超纯气体制造芯片气体流量测量差压式流量计热式质量流量计超声波流量计利用压差测量流量测量气体带走热量声波传播时间差测量气体纯化技术吸附法低温分离2分子筛选择吸附利用沸点差异催化转化膜分离转变杂质分子结构选择性渗透第十三章气体安全有毒气体易燃气体影响呼吸系统爆炸下限与上限抑制细胞功能火源管理接触限值严格控制防爆设计窒息性气体置换氧气导致缺氧密闭空间危险需氧含量监测气体泄漏检测检测方法气体探测器常规监测红外热成像可视化泄漏点肥皂液测试简单高效检查接头无人机巡检大面积快速检测气体防护设备第十四章气体物理学前沿研究量子气体超冷原子气体拓扑气体极低温环境温度接近绝对零度边界态特性波粒二象性明显展示量子相变新奇量子状态独特量子效应量子模拟器量子信息应用玻色爱因斯坦凝聚-10^-91995临界温度首次实验实现微开尔文量级里程碑性突破10^5原子数量级单一量子态气体等离子体物理核聚变等离子体推进材料处理清洁能源未来高效航天动力半导体制造医学应用低温等离子体治疗第十五章计算气体动力学物理模型基本方程建立离散化转化为代数方程数值求解迭代计算结果分析可视化与验证分子动力学模拟分子参数设定1势能函数选择初始条件位置与速度分布运动积分计算轨迹演化统计分析计算宏观物理量气体流动可视化技术粒子图像测速数值模拟可视化阴影法示踪粒子跟踪速度场计算结果直观展示密度梯度显示第十六章气体测量技术温度测量压力测量热电偶与热敏电阻压力传感器类型流量测量成分分析差压与热质测量光谱与色谱质谱分析电离分子转化为离子分离根据质荷比分离检测离子信号放大分析质谱图解析气相色谱第十七章气体物理学与其他学科的交叉气体生物学效应呼吸与氧传递气象化学大气反应过程量子信息冷原子量子计算神经科学麻醉气体机理气体地球化学火山气体地质活动指示剂土壤气体微生物活动产物海洋溶解气体碳循环关键环节气体天体物理学星际介质行星大气恒星内部气体主要成分氢气行星适居性指标核聚变燃料恒星形成物质气候演化记录能量传递介质宇宙结构追踪器生命迹象寻找恒星演化关键课程总结基础理论气体状态方程与动理论应用技术工程与环境应用前沿领域3量子气体与等离子体习题与思考基础计算题概念分析题研究方向建议理想气体状态变化气体现象物理解释量子气体研究热力学循环计算应用场景分析环境监测技术动理论参数求解新技术可行性新能源应用参考文献与延伸阅读。