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1、第十二章氣體動(dòng)理論§ 12-1平衡態(tài)氣體狀態(tài)方程【基本內(nèi)容】熱力學(xué):以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),研究熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律,總結(jié)形成熱力學(xué)三大定律,對(duì)熱現(xiàn)象的本質(zhì)不作解釋。統(tǒng)計(jì)物理學(xué):從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)出發(fā), 按每個(gè)粒子遵循的力學(xué)規(guī)律,用統(tǒng)計(jì)的方法求出系統(tǒng)的宏觀熱力學(xué)規(guī)律。分子物理學(xué):是研究物質(zhì)熱現(xiàn)象和熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科,它應(yīng)用的基本方法是統(tǒng)計(jì)方法。一、平衡態(tài)狀態(tài)參量1、 熱力學(xué)系統(tǒng):由大量分子組成的宏觀客體(氣體、液體、固體等),簡稱系統(tǒng)。外界:與系統(tǒng)發(fā)生相互作用的系統(tǒng)以外其它物體(或環(huán)境)。從系統(tǒng)與外界的關(guān)系來看,熱力學(xué)系統(tǒng)分為孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)、開放系統(tǒng)。2、平衡態(tài)與平衡過程平衡態(tài):在不受外界影響

2、的條件下,系統(tǒng)的宏觀熱力學(xué)性質(zhì)(如P、V、T)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。它是一種熱動(dòng)平衡,起因于物質(zhì)分子的熱運(yùn)動(dòng)。熱力學(xué)過程:系統(tǒng)從一初狀態(tài)出發(fā),經(jīng)過一系列變化到另一狀態(tài)的過程。平衡過程:熱力學(xué)過程中的每一中間狀態(tài)都是平衡態(tài)的熱力學(xué)過程。3、狀態(tài)參量系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí),描述系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量,稱為狀態(tài)參量。它是表征大量微觀粒 子集體性質(zhì)的物理量(如 P、V、T、C等)。微觀量:表征個(gè)別微觀粒子狀況的物理量(如分子的大小、質(zhì)量、速度等)。二、理想氣體狀態(tài)方程1、氣體實(shí)驗(yàn)定律(1)玻意耳定律:一定質(zhì)量的氣體,當(dāng)溫度保持不變時(shí),它的壓強(qiáng)與體積的乘積等于恒量。即PV 恒量,亦即在一定溫度下,對(duì)一定量的氣體,

3、它的體積與壓強(qiáng)成反比。(2 )蓋.呂薩克定律:一定質(zhì)量的氣體,當(dāng)壓強(qiáng)保持不變時(shí),它的體積與熱力學(xué)溫度成正比。即- 恒量。T(3)查理定律:P一定質(zhì)量的氣體,當(dāng)體積保持不變時(shí),它的壓強(qiáng)與熱力學(xué)溫度成正比,即恒量。T 一氣體實(shí)驗(yàn)定律的適用范圍:只有當(dāng)氣體的溫度不太低(與室溫相比),壓強(qiáng)不太大(與大氣壓相比)時(shí),方能遵守上述三條定律。2、理想氣體的狀態(tài)方程(1)理想氣體的狀態(tài)方程在任一平衡態(tài)下,理想氣體各宏觀狀態(tài)參量之間的函數(shù)關(guān)系;也稱為克拉伯龍方程PV M RT RT(2)氣體壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系P nkT玻爾茲曼常數(shù)k R/Na 1.38 10 23J/K ;氣體普適常數(shù) R 8.31 J /mol

4、.K阿伏加德羅常數(shù) Na 6.023 1023/mol質(zhì)量密度與分子數(shù)密度的關(guān)系nm分子數(shù)密度n N /V ,氣體質(zhì)量密度,m氣體分子質(zhì)量。三、理想氣體的壓強(qiáng)1、理想氣體微觀模型的假設(shè)(a)分子本身的大小比起它們之間的距離可忽略不計(jì),可視為質(zhì)點(diǎn)。(b)除了分子碰撞瞬間外,分子之間的相互作用以忽略;因此在相鄰兩次碰撞之間, 分子做勻速直線運(yùn)動(dòng)。(c)分子與分子之間或分子與器壁間的碰撞是完全彈性的。理想氣體可看作是由大量的、自由的、不斷做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的,大小可忽略不計(jì)的彈性 小球所組成。大量分子構(gòu)成的宏觀系統(tǒng)的性質(zhì),滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律。統(tǒng)計(jì)假設(shè):(a)分子按位置的分布是均勻的,即分子沿空間各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的數(shù)

5、目相等。(b)分子按速度方向的分布是均勻的,即分子沿空間各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)相等。2、理想氣體的壓強(qiáng)1 Pnmv32 n31 Ptmv2(a)分子的平均平動(dòng)動(dòng)能:(b)壓強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)意義:壓強(qiáng)是大量氣體分子對(duì)器壁碰撞而產(chǎn)生的。它反映了器壁所受 大量分子碰撞時(shí)所給沖力的統(tǒng)計(jì)平均效果。四、理想氣體的溫度1、分子平均平動(dòng)動(dòng)能與溫度的關(guān)系(理想氣體溫度公式)-13t - mv kT2 2(a)溫度的微觀本質(zhì)和統(tǒng)計(jì)意義:理想氣體的溫度是氣體分子平均平動(dòng)動(dòng)能的量度。 氣體的溫度越高,分子的平均平動(dòng)動(dòng)能就越大;分子的平均平動(dòng)動(dòng)能越大,分子熱運(yùn)動(dòng)的 程度越激烈。因此,可以說溫度是表征大量分子熱運(yùn)動(dòng)激烈程度的宏觀物理

6、量,是大量分 子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)。與壓強(qiáng)一樣,溫度也是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量。對(duì)個(gè)別分子,說它有多少溫度 是沒有意義的。反之,(b) 不同種類的兩種理想氣體,只要溫度T相同,則分子的平均平動(dòng)動(dòng)能相同; 當(dāng)它們的分子的平均平動(dòng)動(dòng)能相同時(shí),則它們的溫度一定相同。2、方均根速率方均根速率:氣體分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí),一個(gè)與速度有關(guān)的平統(tǒng)計(jì)均值五、分子間的碰撞1、平均碰撞頻率任意一個(gè)分子單位時(shí)間內(nèi)與其它分子的平均碰撞次數(shù),稱為平均碰撞頻率。Z 72 d2vnd :分子有效直徑,v :分子平均速率,n :分子數(shù)密度。2、平均自由程在平衡狀態(tài)下,由于分子碰撞的隨機(jī)性,一個(gè)分子在連續(xù)兩次碰撞之間所經(jīng)過的直線 路程(即自由程)不盡

7、相同,將各段自由程取平均值,即為平均自由程,以表示。- vZ >/2 d2n六、能量均分定理1、自由度決定物體在空間位置所需要獨(dú)立坐標(biāo)的數(shù)目,稱為該物體的自由度。 對(duì)于剛性分子,i t r, t:平動(dòng)自由度,r :轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。平動(dòng)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)自由度自由度單原子分子303剛性雙原子分子325剛性多原子分子3362、能量均分定理1在溫度為T的平衡態(tài)下,氣體分子每個(gè)自由度的平均動(dòng)能均為-kT。2分子的平均動(dòng)能:1-kT2*注意平均動(dòng)能、平均平動(dòng)動(dòng)能、平均轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的區(qū)分 3、內(nèi)能及內(nèi)能的改變量物體的內(nèi)能:任何宏觀物體(氣體、液體、固體)除了整體作宏觀運(yùn)動(dòng)而具有機(jī)械能 外,物體內(nèi)部由于分子、原子的運(yùn)

8、動(dòng)所具有的能量,叫做物體的內(nèi)能;從微觀角度來看, 系統(tǒng)的內(nèi)能包括分子熱運(yùn)動(dòng)能量、分子間的相互作用勢(shì)能,分子和原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的能量, 以及電場能和磁場能等。在溫度不太高的情況下,對(duì)一定質(zhì)量的氣體分子組成的系統(tǒng),內(nèi)能是系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn) 動(dòng)動(dòng)能和分子間相互作用勢(shì)能的總和;系統(tǒng)內(nèi)能是溫度(T)和體積(V)的函數(shù),即:E E仃,V)。理想氣體的內(nèi)能:組成系統(tǒng)的所有分子的熱運(yùn)動(dòng)的總動(dòng)能之和。E -NkT - RT2 2理想氣體的內(nèi)能 E是溫度的單值函數(shù):E E仃)內(nèi)能的改變量:決定于系統(tǒng)的始未狀態(tài),與系統(tǒng)經(jīng)歷的過程無關(guān)。E丄R T2物體的內(nèi)能不同于機(jī)械能,物體的內(nèi)能和機(jī)械能之間可以互相轉(zhuǎn)換?!镜湫屠}】【例1

9、2-1】某容器內(nèi)裝有質(zhì)量為 0.1kg、壓強(qiáng)為10atm、溫度為47°C的氧氣。因容器漏氣,一段時(shí)間后,壓強(qiáng)減少為原來的5/8,溫度為270C。求:(1)容器的體積;(2)漏出了多少氧氣。【解】根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程漏氣前狀態(tài):P1VM11RT1VM 1R1T1P8.210 3(m3)漏氣后狀態(tài):P2VM2RT2F2VM 2-6.6610 3(kg)rt2MM1 M 233.4(kg )【例12-2】圖例12-2所示容器內(nèi),當(dāng)左邊容器溫度增到50C,右邊氣體增到30°C時(shí),中央水銀是否會(huì)移動(dòng)?如何移動(dòng)?【解】由理想氣體的狀態(tài)方程,在初始狀態(tài):左邊氣體:P1V1M1RT1右邊

10、氣體:P2V2rt2水銀處于中央平衡位置時(shí):由以上各式可求:M1M2PT2T1P2,ViV2例12-2圖氦氣對(duì)未狀態(tài):左邊氣體:PiViRTi右邊氣體:P2V2j?'平衡時(shí):P2 P1【例(2)由以上各式得:巴業(yè)空V2故水銀向左邊移動(dòng)少許。12-3】有2 10 3 mf的剛性雙原子理想氣體,m2t2293273內(nèi)能為【例2780.9847 130326.75 10 J o( 1)求該氣體的壓強(qiáng);設(shè)分子總數(shù)為5.4 1023個(gè),求分子的平均平動(dòng)動(dòng)能及氣體的溫度?!窘狻浚?)由理想的的壓強(qiáng)、內(nèi)能和溫度的關(guān)系P nkT、E - NkT 得:2(2)分子的平均平動(dòng)動(dòng)能為:P 生 1.35iV:

11、3kT/2,105故:(Pa)5- 3EE -NkTt7.525N12-4】容器內(nèi)有1mol的氮?dú)猓?E362( K) 5 NkT壓強(qiáng)為1.33 Pa,溫度為70C.求:2110 (J)(1)1 m3氮?dú)獾姆肿訑?shù);容器中氮?dú)獾拿芏?;?) 1mf氮?dú)庵校肿拥目偲絼?dòng)動(dòng)能。2 , i1mi氮?dú)獾姆肿訑?shù):p nkT n V 3 44kTMV【解】視氮?dú)鉃閯傂噪p原子分子:(1)102° 個(gè)(3)容器中N2的密度:PV M RT1卅氮?dú)猓∟O氣中,分子的總平動(dòng)動(dòng)能3 -NkT2PRT31.610 5(kg/m3)RT3 -PV2(J)【分類習(xí)題】一、選擇題1. 一個(gè)容器內(nèi)貯有1mol氫氣和1

12、mol氦氣,若兩種氣體各自對(duì)器壁產(chǎn)生的壓強(qiáng)分別為 P1和卩2,則兩者的大小關(guān)系是(A) Pi> P2 .( B) pi v P2 .(C) pi= P2 .( D)不確定的.2 關(guān)于溫度的意義,有下列幾種說法:(1) 氣體的溫度是分子平動(dòng)動(dòng)能的量度(2) 氣體的溫度是大量氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn),具有統(tǒng)計(jì)意義(3 )溫度的高低反映物質(zhì)內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)劇烈程度的不同(4)從微觀上看,氣體的溫度表示每個(gè)氣體分子的冷熱程度 上述說法中正確的是(A) (1 )、(2)、(4)(C) (2 )、( 3 )、(4)(B) (1 )、(2)、(3)(D) (1 )、( 3)、(4)3. 一容器內(nèi)裝有 N個(gè)

13、單原子理想氣體分子和N2個(gè)剛性雙原子理想氣體分子,當(dāng)該系統(tǒng)處在溫度為T的平衡態(tài)時(shí),其內(nèi)能為(A) (Ni+Nb) (3/2)kT+(5/2)kT.(C) N(3/2)kT+ N 2(5/2)kT.(B) (1 /2 ) (N1+N2) (3/2)kT+(5/2)kT.(D) N(5/2)kT+ N 2(3/2)kT.4 溫度、壓強(qiáng)相同的氦氣和氧氣, 分子的平均動(dòng)能-和平均平動(dòng)動(dòng)能 W正確的是(A) 和w都相等。(B)相等,而W不等。(C) w相等,而一不相等。(D) 一和W都不相等。M為氣體的質(zhì)量,m為氣No為阿伏伽得羅常數(shù))5、下列各式中哪一式表示氣體分子的平均平動(dòng)動(dòng)能?(試中體分子的質(zhì)量,

14、N為氣體分子的總數(shù)目,n為氣體分子數(shù)密度,3m3M33M(A)PV(B)PV(C) - nPV( D)N0PV2M2M22M6、理想氣體的內(nèi)能是狀態(tài)的單值函數(shù),下面對(duì)理想氣體內(nèi)能的理解 錯(cuò)誤的是(A) 氣體處于一定狀態(tài),就具有一定的內(nèi)能;(B) 對(duì)應(yīng)于某一狀態(tài)的內(nèi)能是可以直接測(cè)量的;(C) 當(dāng)理想氣體的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),內(nèi)能不一定隨之變化;(D) 只有當(dāng)伴隨著溫度變化的狀態(tài)變化時(shí),內(nèi)能才發(fā)生變化;7 一容器貯有某種理想氣體,其分子平均自由程為0,當(dāng)氣體的熱力學(xué)溫度降到原來的一半,但體積不變,分子作用球半徑不變,則此時(shí)平均自由程為(A)0 / 2.(B)0 .(C) 2 0.(D)0 / 2 .&

15、amp;氣缸內(nèi)盛有一定量的氫氣(可視作理想氣體),當(dāng)溫度不變而壓強(qiáng)增大一倍時(shí),氫氣分子的平均碰撞次數(shù) Z和平均自由程(A) Z和都增大一倍的變化情況是_ _(B) Z和都減為原來的一半(C) Z增大一倍而減為原來的一半(D) Z減為原來的一半而增大一倍.9.在一個(gè)容積不變的容器中,儲(chǔ)有一定量的理想氣體,溫度為T0時(shí),氣體分子的平均速率為V。,分子平均碰撞次數(shù)為Z0,平均自由程為=。當(dāng)氣體溫度升高為 4T。時(shí),氣體分子的平均速率為V,平均碰撞次數(shù)z和平均自由程分別為(A) V 4V。, Z 4Z0,-4一0。(B)V 2V0,Z 2Z0 ,0 0(C) V 2V。,Z 2Z0 ,4 0。(D)V

16、 4V0Z 2Z070 0二、填空題1. 某理想氣體在溫度為 27 C和壓強(qiáng)為1.0 10 2atm情況下,密度為11.3g m,則這1 1氣體的摩爾質(zhì)量 Mmol =。摩爾氣體常量 R = 8.31 (J mol K )2. 若某種理想氣體分子的方均根速率.v2 450m/s,氣體壓強(qiáng)為P 7 104Pa,則該氣體的密度為。3 .如圖12.1所示,兩個(gè)容器容積相等,分別儲(chǔ)有相同質(zhì)量 的Na和O2氣體,它們用光滑細(xì)管相連通,管子中置一小滴水銀, 兩邊的溫度差為 30K,當(dāng)水銀滴在正中不動(dòng)時(shí),N2和O的溫度為Tn2, To2=( N2的摩爾質(zhì)量為28 10 kg/mol , O 的摩爾質(zhì)量為 3

17、2 10 kg/mol.)4. 常溫下(將分子看作剛性分子),單原子理想氣體分子的自由度為 ,雙原子理想氣體分子的自由度為 ,多原子理想氣體分子的自由度 5. 自由度為i的一定量剛性分子理想氣體,當(dāng)其體積為V壓強(qiáng)為p時(shí),其內(nèi)能E=.6 .分子平均動(dòng)能ikT/2的適用條件是 。室溫下,1mol雙原子理想氣體分子的壓強(qiáng)為 P,體積為V,求此氣體分子的平均動(dòng)能為 。7.容積為10升的容器內(nèi),充滿 50 g、18 C的氫氣,當(dāng)它以200 m/s勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)忽 然停止,全部定向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣體分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能,容器與外界無熱交換,則達(dá)到 平衡后,氫氣的溫度增加了K ;壓強(qiáng)增加了Pa;分子的平均平動(dòng)動(dòng)能增

18、加了 J。&理想氣體經(jīng)等壓過程由體積 V0膨脹到2V0 ,求下列物理量末狀態(tài)與初狀態(tài)之比:平 均自由程 =,平均速率 v ,平均動(dòng)能匸 。0 v0 0三、計(jì)算題1.一瓶氫氣和一瓶氧氣溫度相同,若氫氣分子的平均平動(dòng)動(dòng)能為6.21 10 21J。試求:氧氣分子的溫度、平均平動(dòng)動(dòng)能和方均根速率。2. 當(dāng)氫氣和氦氣的壓強(qiáng)、體積和溫度都相等時(shí),求它們的質(zhì)量比Mk)/MHe)和內(nèi)能比E(H2)/ E(He),將氫氣視為剛性雙原子分子氣體。2353. 容積為V 1.2 10 m的容器儲(chǔ)有氧氣,壓強(qiáng)P 8.31 10 Pa,溫度為300K, 求:(1)單位體積中的分子數(shù) n; (2)分子的平均平動(dòng)動(dòng)能

19、;(3)氣體的內(nèi)能。4. 質(zhì)量為0.1kg,溫度為27 C的氮?dú)猓b在容積為0.01用的容器中,容器以u(píng) 100m/s 的速率作勻速直線運(yùn)動(dòng),若容器突然停下來,定向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能,則平衡態(tài)氮?dú)獾臏囟群蛪簭?qiáng)各增加了多少?5.標(biāo)準(zhǔn)狀況下,氮?dú)獾钠骄鲎差l率和平均自由程分別為5.42 1 08 Hz和6 10 6cm。若溫度不變,氣壓降為 0.1 atm,則其平均碰撞頻率和平均自由程各為多少?§ 12-2麥克斯韋一玻耳茲曼分布定律【基本內(nèi)容】處于熱動(dòng)平衡態(tài)下,一定量的氣體分子,由于無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)和頻繁碰撞,單個(gè)分子的速度大小和方向隨機(jī)變化不可預(yù)知;1859年,麥克斯韋指

20、出:對(duì)大量氣體分子整體,在一定溫度的平衡態(tài)下,它們的速度分布遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。一、麥克斯韋速率分布律研究在平衡態(tài)下,理想氣體分子按速率分布的規(guī)律。dNvf(v)Ndv由統(tǒng)計(jì)規(guī)律可求:f(v) 4 (旦)3/2e m/2kT2kTf (v):表示速率在v附近的單位速率區(qū)間內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比;或:一個(gè)分子速率出現(xiàn)在v附近的單位速率區(qū)間內(nèi)的概率。2、麥克斯韋速率分布律曲線如圖12.2所示,特征:v 0 時(shí),f(v) 0 ; v1麥克斯韋速率分布函數(shù)圖 12.2時(shí),f (v)0dN小矩形面積的意義:f (v)dv v表示在速率區(qū)N間v v dv內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比。整個(gè)曲線下面積的

21、意義:表示速率在0區(qū)間內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比為1。歸一化條件:° f(v)dv 13、最可幾速率(最概然速率) 麥克斯韋速率分布函數(shù)f(V)為極大值處所對(duì)應(yīng)的速率值 Vp。表示:在相同速率區(qū)間內(nèi),Vp所在區(qū)間內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比最大。4、統(tǒng)計(jì)平均值若微觀量g g(v),則其統(tǒng)計(jì)平均值為g(v) o f(v)g(v)dv若在區(qū)間v1v2f(v)g(v)dvv內(nèi)求g(v)的統(tǒng)計(jì)平均值,則;g(v)viv2f (v)dv5、氣體分子的特征速率最可幾速率:討論氣體分子速率分布:1.414 RT平均速率:討論氣體分子平均自由程:V8kT8RT 1.方均根速率:討論氣體分子平均平動(dòng)

22、動(dòng)能:V Vp二、玻耳茲曼分布定律1、狀態(tài)空間x、y、z及Vx、Vy、Vz為相互垂直的坐標(biāo)當(dāng)以速度和位置來確定分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),由 構(gòu)成一坐標(biāo)系,該坐標(biāo)系所代表的空間叫狀態(tài)空間。2、分子按能量的分布定律:玻耳茲曼分布定律在溫度為T的平衡態(tài)下,在狀態(tài)空間 dvxdvydvzdxdydz內(nèi)的分子數(shù)為:m 3/2 (Ek dN n°() e2 kTEk、Ep :表示分子的動(dòng)能和勢(shì)能。n0:3、分子按勢(shì)能的分布定律在溫度為T的平衡態(tài)下,分子數(shù)密度為:Ep)/ kTdVxdVydVzdxdydz表示日=0處的分子數(shù)密度。Ep/kTn°e推論:重力場中,分子按高度的分布定律P F0e

23、gh/RT恒溫氣壓公式:【分類習(xí)題】mgh/ kTn°en°egh/RT一、選擇題1.如圖12.3所示的兩條平衡態(tài)下理想氣體的麥 克斯韋速率分布曲線,則以下說法正確的是(A) 當(dāng)它們表示同種理想氣體不同溫度的麥克斯韋速率分布曲線時(shí),溫度T1>T2;當(dāng)它們表示不同種理想氣體相同溫度的麥克斯韋速率分布曲線時(shí),分子質(zhì) 量 m>m,(B) 當(dāng)它們表示同種理想氣體不同溫度的麥克斯韋速率分布曲線時(shí),溫度T1<T2 ;當(dāng)它們表示不同種理想氣體相同溫度的麥克斯韋速率分布曲線時(shí),分子質(zhì)量 m>m,(C) 當(dāng)它們表示同種理想氣體不同溫度的麥克斯韋速率分布曲線時(shí), 們表示不同種理想氣體相同溫度的麥克斯韋速率分布曲線時(shí),分子質(zhì)量(D) 當(dāng)它們表示同種理想氣體不同溫度的麥克斯韋速率分布曲線時(shí), 們表示不同種理想氣體相同溫度的麥克斯韋速率分布曲線時(shí),分子質(zhì)量2麥克斯韋速率分布曲線如圖12.4所示,

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