王斌驰 贾雅琼

摘要：有效比热容是考虑了振动能量弛豫过程的气体热容，它是一个与声频率有关的复数。本文分析了声波在多原子气体中的传播过程，指出正是振动自由度与外自由度较慢的能量交换导致了气体声弛豫过程。应用热力学等相关理论计算了外自由度热容和振动热容等参量，得出了混合气体有效比热容的表达式。在考虑了两个量子与一个量子的能量交换情况下，对有效比热容进行了分解，得出了单一气体成分对总有效比热容的贡献。最后对混合气体O2CO2的有效比热容和声弛豫衰减系数进行了计算。声衰减系数与实验结果符合得较好，表明本文提出的方法是正确的。

关键词：有效比热容;分解;声弛豫;振动模式

没有外界扰动时，气体处于热平衡状态[1]。此状态下，气体的平动温度、转动温度、振动温度相等[2]。声源振动发出声音并在气体介质中传播，这将使得气体反复经历压缩、膨胀过程。在压缩过程分子平动能、转动能增加，在膨胀过程中，分子平动能、转动能又会减少，这是因为平动能、转动能的调整时间很短，也就是说它们跟得上声波的波动[3]。但在分子碰撞的过程中，部分能量会进入分子内部，激发分子内部模式。进入分子内部的这部分能量，在声膨胀过程中并不能及时返还给声机械能，这是因为振动模式的能级间隔较大，振动温度跟不上声波与平动温度的波动，气体热容不再是一个实数，气体分子需要一段时间后才能回到热平衡态，该过程称为弛豫过程[1]。……