氣體動(dòng)理論3資料

氣體動(dòng)理論3資料第1頁(yè)/共54頁(yè)核潛艇的動(dòng)力裝置是核反應(yīng)堆，其原理是通過(guò)核反應(yīng)堆產(chǎn)生的高溫蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸氣渦輪機(jī)，帶動(dòng)螺旋槳或者是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力。

第2頁(yè)/共54頁(yè)由于蒸汽輪機(jī)具有功率大的優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代大型軍艦上依然有廣泛應(yīng)用。例如大型航母，核潛艇均使用蒸汽輪機(jī)作為動(dòng)力。燃?xì)廨啓C(jī)由于功率不足，目前僅在中型軍艦和小、中型航母上運(yùn)用。對(duì)于要求高航速的大型艦船，蒸汽輪機(jī)或蒸汽輪機(jī)-分散電機(jī)-電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)依然是唯一選擇。

第3頁(yè)/共54頁(yè)航天飛機(jī)的熱防護(hù)：美國(guó)哥倫比亞航天飛機(jī)失事就是因?yàn)闊岱雷o(hù)瓦脫落所致；2005年8月發(fā)現(xiàn)號(hào)返回前美國(guó)宇航總局專(zhuān)門(mén)在太空中對(duì)防護(hù)瓦進(jìn)行了檢查和修補(bǔ)。a）發(fā)射前的航天器（b）回收的神州5號(hào)航天器外殼

第4頁(yè)/共54頁(yè)電子器件的冷卻：隨著CPU功率的迅速增加，芯片的冷卻要求越來(lái)越高，從一般空氣冷卻的整體肋片散熱器，到開(kāi)縫肋片散熱器，到熱管以及微細(xì)通道的水冷卻。從整體翅片到開(kāi)縫從空氣強(qiáng)制對(duì)流冷卻到熱管冷卻芯片冷卻芯片的熱管蒸發(fā)段從熱管冷卻到微細(xì)通道的水冷卻微細(xì)通道冷卻器外殼第5頁(yè)/共54頁(yè)人體是熱力學(xué)系統(tǒng)，與外界有能量交換第6頁(yè)/共54頁(yè)第7頁(yè)/共54頁(yè)

宏觀(guān)物體都是由大量不停息地運(yùn)動(dòng)著的、彼此有相互作用的分子或原子組成.

利用掃描隧道顯微鏡技術(shù)把一個(gè)個(gè)原子排列成IBM字母的照片.

現(xiàn)代的儀器已可以觀(guān)察和測(cè)量分子或原子的大小以及它們?cè)谖矬w中的排列情況,例如X光分析儀,電子顯微鏡,掃描隧道顯微鏡等.

對(duì)于由大量分子組成的熱力學(xué)系統(tǒng)從微觀(guān)上加以研究時(shí),必須用統(tǒng)計(jì)的方法.§8.1平衡態(tài)溫度理想氣體狀態(tài)方程第8頁(yè)/共54頁(yè)一分子的數(shù)密度和線(xiàn)度

阿伏伽德羅常數(shù)：1mol

物質(zhì)所含的分子（或原子）的數(shù)目均相同.例常溫常壓下例標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧分子直徑分子間距分子線(xiàn)度分子數(shù)密度（

）：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的分子數(shù)目.第9頁(yè)/共54頁(yè)二分子力三分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性及統(tǒng)計(jì)規(guī)律

熱運(yùn)動(dòng)：大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明分子都在作永不停止的無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng).例:

常溫和常壓下的氧分子

當(dāng)時(shí)，分子力主要表現(xiàn)為斥力；當(dāng)時(shí)，分子力主要表現(xiàn)為引力.分子力第10頁(yè)/共54頁(yè)

對(duì)于由大量分子組成的熱力學(xué)系統(tǒng)從微觀(guān)上加以研究時(shí)，必須用統(tǒng)計(jì)的方法..................................................................................

小球在伽爾頓板中的分布規(guī)律.第11頁(yè)/共54頁(yè)

統(tǒng)計(jì)規(guī)律當(dāng)小球數(shù)N

足夠大時(shí)小球的分布具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律.設(shè)為第格中的粒子數(shù).

概率粒子在第格中出現(xiàn)的可能性大小.歸一化條件

...................................................粒子總數(shù)第12頁(yè)/共54頁(yè)

1）分子可視為質(zhì)點(diǎn)；

線(xiàn)度間距;

2）除碰撞瞬間,分子間無(wú)相互作用力；一理想氣體的微觀(guān)模型4）分子的運(yùn)動(dòng)遵從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律.3）彈性質(zhì)點(diǎn)（碰撞均為完全彈性碰撞）；第13頁(yè)/共54頁(yè)二氣體狀態(tài)參量溫度反映物體冷熱程度的物理量，其高低反映內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。熱力學(xué)溫標(biāo)(T:K)與攝氏溫標(biāo)(t:℃)：

T=t+273.15體積V

氣體分子所能到達(dá)的空間。壓強(qiáng)P

氣體分子垂直作用于器壁單位面積上的力，是大量氣體分子與器壁碰撞的宏觀(guān)表現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：目前，T(min.)=2.41011k(激光冷卻法)第14頁(yè)/共54頁(yè)熱力學(xué)狀態(tài)平衡態(tài)非平衡態(tài)平衡態(tài)：在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)宏觀(guān)性質(zhì)均勻一致、不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，熱動(dòng)平衡態(tài)。氣體狀態(tài)（P,V,T）就是指平衡態(tài)。

平衡態(tài)1非平衡態(tài)平衡態(tài)2三平衡態(tài)和平衡過(guò)程第15頁(yè)/共54頁(yè)平衡態(tài)的特點(diǎn)1）單一性（處處相等）;2）物態(tài)的穩(wěn)定性——與時(shí)間無(wú)關(guān)；3）自發(fā)過(guò)程的終點(diǎn)；4）熱動(dòng)平衡（有別于力平衡）.第16頁(yè)/共54頁(yè)從非平衡態(tài)到新的平衡態(tài)所需的時(shí)間為弛豫時(shí)間。

在熱力學(xué)過(guò)程中每一時(shí)刻，如果系統(tǒng)都處于平衡態(tài)，這是一種理想過(guò)程。或者當(dāng)系統(tǒng)弛豫比宏觀(guān)變化快得多時(shí)，這個(gè)過(guò)程中每一狀態(tài)都可近似看作平衡態(tài)，該過(guò)程就可認(rèn)為是平衡過(guò)程(準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程)。u例1：外界對(duì)系統(tǒng)做功，過(guò)程無(wú)限緩慢，無(wú)摩擦。

非平衡態(tài)到平衡態(tài)的過(guò)渡時(shí)間，即弛豫時(shí)間，約10-3秒，如果實(shí)際壓縮一次所用時(shí)間為1秒，就可以說(shuō)是平衡過(guò)程。第17頁(yè)/共54頁(yè)四理想氣體狀態(tài)方程玻-馬定律PV=constant蓋-呂薩克定律V/T=constant查理定律P/T=constantT不變P不變V不變PV/T=R摩爾氣體常量克拉伯龍方程=1mol第18頁(yè)/共54頁(yè)氣體活塞砂子12狀態(tài)圖

平衡過(guò)程或稱(chēng)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可用p-V圖中的連續(xù)曲線(xiàn)表示。第19頁(yè)/共54頁(yè)第20頁(yè)/共54頁(yè)第21頁(yè)/共54頁(yè)第22頁(yè)/共54頁(yè)一、壓強(qiáng)的微觀(guān)本質(zhì)

微觀(guān)本質(zhì)密集的雨點(diǎn)持續(xù)地傾瀉在傘面上，對(duì)傘面產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)的壓力，由此產(chǎn)生作用于傘面上的壓強(qiáng)。容器中數(shù)目巨大的氣體分子頻繁碰撞器壁，會(huì)對(duì)器壁產(chǎn)生持續(xù)的壓力，從而產(chǎn)生器壁上的壓強(qiáng)．壓強(qiáng)：大量分子碰撞器壁單位時(shí)間內(nèi)、作用于器壁單位面積

的平均沖量。大量分子不斷碰撞器壁，對(duì)器壁單位面積的平均沖力?！?.2理想氣體的壓強(qiáng)公式與溫度公式第23頁(yè)/共54頁(yè)

設(shè)邊長(zhǎng)分別為x、y

及z的長(zhǎng)方體中有

N

個(gè)全同的質(zhì)量為m

的氣體分子，計(jì)算壁面所受壓強(qiáng).一理想氣體壓強(qiáng)公式第24頁(yè)/共54頁(yè)2）分子各方向運(yùn)動(dòng)概率均等分子運(yùn)動(dòng)速度熱動(dòng)平衡的統(tǒng)計(jì)規(guī)律（平衡態(tài)）1）分子按位置的分布是均勻的

大量分子對(duì)器壁碰撞的總效果：恒定的、持續(xù)的力的作用.單個(gè)分子對(duì)器壁碰撞特性:偶然性、不連續(xù)性.第25頁(yè)/共54頁(yè)各方向運(yùn)動(dòng)概率均等

方向速度平方的平均值各方向運(yùn)動(dòng)概率均等2）分子各方向運(yùn)動(dòng)概率均等分子運(yùn)動(dòng)速度第26頁(yè)/共54頁(yè)分子施于器壁的沖量單個(gè)分子單位時(shí)間施于器壁的沖量x方向動(dòng)量變化兩次碰撞間隔時(shí)間單位時(shí)間碰撞次數(shù)

單個(gè)分子遵循力學(xué)規(guī)律第27頁(yè)/共54頁(yè)

單位時(shí)間N

個(gè)粒子對(duì)器壁總沖量

大量分子總效應(yīng)

單個(gè)分子單位時(shí)間施于器壁的沖量器壁所受平均沖力第28頁(yè)/共54頁(yè)氣體壓強(qiáng)統(tǒng)計(jì)規(guī)律分子平均平動(dòng)動(dòng)能器壁所受平均沖力第29頁(yè)/共54頁(yè)

統(tǒng)計(jì)關(guān)系式壓強(qiáng)的物理意義宏觀(guān)可測(cè)量量微觀(guān)量的統(tǒng)計(jì)平均值

壓強(qiáng)是大量分子對(duì)時(shí)間、對(duì)面積的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果.分子平均平動(dòng)動(dòng)能第30頁(yè)/共54頁(yè)玻爾茲曼常數(shù)宏觀(guān)可測(cè)量量理想氣體壓強(qiáng)公式理想氣體狀態(tài)方程微觀(guān)量的統(tǒng)計(jì)平均值分子平均平動(dòng)動(dòng)能n——單位體積內(nèi)氣體分子數(shù)第31頁(yè)/共54頁(yè)溫度T

的物理意義3）在同一溫度下，各種氣體分子平均平動(dòng)動(dòng)能均相等。

熱運(yùn)動(dòng)與宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)的區(qū)別：溫度所反映的是分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，它和物體的整體運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，物體的整體運(yùn)動(dòng)是其中所有分子的一種有規(guī)則運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn).1）溫度是分子平均平動(dòng)動(dòng)能的量度（反映熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度）.注意2）溫度是大量分子的集體表現(xiàn)，個(gè)別分子無(wú)意義.第32頁(yè)/共54頁(yè)一、自由度：1、定義：確定一個(gè)物體空間位置所需要的獨(dú)立坐標(biāo)的數(shù)目。用i表示.◆自由運(yùn)動(dòng)剛體的自由度：轉(zhuǎn)軸：2(α，β，γ)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)：1（θ）◆質(zhì)點(diǎn)的自由度：空間：3個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)質(zhì)心：3（x，y，z)：t=3§8.3能量按自由度均分定理與理想氣體的內(nèi)能第33頁(yè)/共54頁(yè)2、氣體分子運(yùn)動(dòng)自由度：?jiǎn)卧臃肿樱孩趧傂远嘣臃肿樱篿=3+3=6多原子分子：3個(gè)平動(dòng)自由度，

2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。3個(gè)平動(dòng)自由度,i=3①剛性雙原子分子：i=t+r=53個(gè)平動(dòng)自由度，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，第34頁(yè)/共54頁(yè)二、能量按自由度均分定理:分子的平均平動(dòng)動(dòng)能：平動(dòng):分子在每個(gè)平動(dòng)自由度上的平均動(dòng)能相等，都等于kT/2。

氣體處于平衡態(tài)時(shí)，分子任何一個(gè)自由度的平均能量都相等，均為kT/2。推廣：能量按自由度均分原理：第35頁(yè)/共54頁(yè)2）室溫下只有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，高溫下才有振動(dòng)。一般不說(shuō)明，都按剛性分子處理，即無(wú)振動(dòng)。3）該原理也適用于液體和固體。三、理想氣體內(nèi)能E

：1、一般熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能：系統(tǒng)內(nèi)部各種能量的總和。2、理想氣體內(nèi)能：

（若無(wú)化學(xué)反應(yīng)、無(wú)核反應(yīng)，）系統(tǒng)內(nèi)能指所有分子的各種形式的動(dòng)能、振動(dòng)勢(shì)能和分子間勢(shì)能的總和。

理想氣體（剛性分子）的內(nèi)能，是系統(tǒng)內(nèi)全部分子的平動(dòng)動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能之和。1）能量按自由度均分定理是關(guān)于分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)單個(gè)分子無(wú)意義。說(shuō)明第36頁(yè)/共54頁(yè)每個(gè)分子的平均動(dòng)能1mol理想氣體的內(nèi)能νmol理想氣體的內(nèi)能1mol理想氣體的內(nèi)能i=6i=5i=3自由度剛性多原子剛性雙原子單原子第37頁(yè)/共54頁(yè)當(dāng)溫度發(fā)生微小變化dT時(shí)，內(nèi)能的變化為：當(dāng)溫度由T變到T+△T，則2)T是狀態(tài)量，與過(guò)程無(wú)關(guān)，因而內(nèi)能也是狀態(tài)量與過(guò)程無(wú)關(guān)。一個(gè)過(guò)程中理想氣體內(nèi)能的變化僅與初末態(tài)溫度變化有關(guān)，與過(guò)程無(wú)關(guān)。（對(duì)一定的理想氣體）1)一定的理想氣體，內(nèi)能只是溫度的單值函數(shù),E∝T。νmol理想氣體的內(nèi)能說(shuō)明第38頁(yè)/共54頁(yè)

例題1

1mol氦氣與2mol氧氣在室溫下混合，試求當(dāng)溫度由27oC升為30oC時(shí)，該系統(tǒng)的內(nèi)能增量。解由內(nèi)能公式對(duì)氦氣i=3,對(duì)氧氣i=5則內(nèi)能為：內(nèi)能的增量為：第39頁(yè)/共54頁(yè)實(shí)驗(yàn)裝置一測(cè)定氣體分子速率分布的實(shí)驗(yàn)金屬蒸汽顯示屏狹縫接抽氣泵§8.5麥克斯韋分子速率分布定律第40頁(yè)/共54頁(yè)分子速率分布圖：分子總數(shù)

為速率在區(qū)間的分子數(shù).表示速率在區(qū)間的分子數(shù)占總數(shù)的百分比.第41頁(yè)/共54頁(yè)分布函數(shù)

表示速率在區(qū)間的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比.

歸一化條件

表示在溫度為的平衡狀態(tài)下，速率在

附近單位速率區(qū)間的分子數(shù)占總數(shù)的百分比.物理意義第42頁(yè)/共54頁(yè)速率位于內(nèi)分子數(shù)速率位于區(qū)間的分子數(shù)速率位于區(qū)間的分子數(shù)占總數(shù)的百分比第43頁(yè)/共54頁(yè)麥?zhǔn)戏植己瘮?shù)二麥克斯韋氣體速率分布定律

反映理想氣體在熱動(dòng)平衡條件下，各速率區(qū)間分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比的規(guī)律.第44頁(yè)/共54頁(yè)三三種統(tǒng)計(jì)速率1）最概然速率根據(jù)分布函數(shù)求得

氣體在一定溫度下分布在最概然速率附近單位速率間隔內(nèi)的相對(duì)分子數(shù)最多.物理意義第45頁(yè)/共54頁(yè)2）平均速率第46頁(yè)/共54頁(yè)3）方均根速率第47頁(yè)/共54頁(yè)

同一溫度下不同氣體的速率分布N2分子在不同溫度下的速率分布第48頁(yè)/共54頁(yè)討論

麥克斯韋速率分布中最概然速率的概念下面哪種表述正確？（A）是氣體分子中大部分分子所具有的速率.（B）是速率最大的速度值.（C）