§3-1氣體動(dòng)理論.ppt

1、1.熱學(xué)，統(tǒng)計(jì)物理-分子動(dòng)力學(xué)理論熱力學(xué)-第一和第二定律；2.16世紀(jì)(明代)的伽利略溫度計(jì)，從鉆木取火到商周時(shí)期的青銅器；3.清初的瓦特蒸汽機(jī)；4，5。熱量介紹；1.熱量的基本概念；熱現(xiàn)象：熱現(xiàn)象是熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，熱運(yùn)動(dòng)是熱現(xiàn)象的微觀本質(zhì)。6.熱學(xué)是研究熱現(xiàn)象的理論，即研究物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律和熱運(yùn)動(dòng)與其他物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學(xué)。研究對(duì)象：由大量微觀粒子組成的系統(tǒng)。研究內(nèi)容：熱運(yùn)動(dòng)形式及其與其他運(yùn)動(dòng)形式的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。宏觀描述方法和微觀描述方法1。宏觀描述方法：熱力學(xué)方法，熱力學(xué)：通過觀察和實(shí)驗(yàn)總結(jié)的熱現(xiàn)象規(guī)律構(gòu)成了熱現(xiàn)象的宏觀理論，稱為熱力學(xué)。熱力學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)：熱力學(xué)基本定律是自然界的

2、普遍規(guī)律，具有可靠性和普遍性。熱力學(xué)的局限性：1。它只適用于含有大量粒子的宏觀系統(tǒng)；2.它主要研究處于平衡態(tài)的物質(zhì)的性質(zhì)，但不能解決系統(tǒng)如何從非平衡態(tài)進(jìn)入平衡態(tài)的過程。3.它把物質(zhì)看作一個(gè)連續(xù)體，而不考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。8.微觀描述過程：統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，是熱物理學(xué)的微觀描述方法?；谖镔|(zhì)由大量分子和原子組成的前提，它利用統(tǒng)計(jì)力學(xué)將宏觀性質(zhì)視為由微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均值所決定的，從而找出微觀量和宏觀量之間的關(guān)系。微觀描述方法的局限性在于它在數(shù)學(xué)上遇到了很大的困難，以至于在作出簡化假設(shè)(微觀模型)后得到的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)并不完全一致。3，熱力學(xué)，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，取長補(bǔ)短，相得益彰，9，第4章，氣體動(dòng)力學(xué)理

3、論，理想氣體的壓力和溫度，按自由度劃分能量的定理，麥克斯韋速度分布定律，分子運(yùn)動(dòng)的基本概念，10，氣體分子運(yùn)動(dòng)理論(氣體動(dòng)力學(xué)理論):以氣體為研究對(duì)象。是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基礎(chǔ)。單個(gè)分子是無序的、偶然的，遵循力學(xué)定律。整體(大量分子)服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。宏觀量：物理量(可直接測量)，代表大量分子的集體特征，如等。微觀量：描述單個(gè)分子(如分子等)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量(不能直接測量)。11。微觀量和宏觀量有一定的內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)物質(zhì)由大量分子和原子組成的事實(shí)，分子動(dòng)力學(xué)理論利用統(tǒng)計(jì)平均的方法，找出大量分子微觀量的平均值，建立宏觀量和微觀量之間的關(guān)系，從而解釋宏觀現(xiàn)象的微觀本質(zhì)。1.分子運(yùn)動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)；4.1分子

4、運(yùn)動(dòng)的基本概念；1.宏觀物體由大量粒子(分子、原子等)組成。)，分子之間有一定的間隙。-單原子分子，雙原子分子，多原子分子，2。分子不斷進(jìn)行無序的熱運(yùn)動(dòng)，其強(qiáng)度與溫度有關(guān)。氣體、液體和固體的擴(kuò)散，水和墨水的混合，互相擠壓的金屬板，所有宏觀的物體都是由大量的分子組成的，分子不斷地作不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，分子之間有相互作用的分子力。13、分子之間既有引力又有斥力，平衡位置和斥力起主要作用，引力起主要作用，而R分子有效作用半徑的分子力是短程力！14，分子運(yùn)動(dòng)-布朗運(yùn)動(dòng)-熱運(yùn)動(dòng)，內(nèi)能：熱運(yùn)動(dòng)的能量，包括分子的動(dòng)能和相互作用勢能。15，4.2平衡狀態(tài)方程，1。熱力系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換，系統(tǒng)可

5、分為三類： (i)孤立系統(tǒng)，也稱開放系統(tǒng)，系統(tǒng)與環(huán)境之間既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換。封閉系統(tǒng)和環(huán)境之間只有能量交換，沒有物質(zhì)交換。開放系統(tǒng)和環(huán)境之間既有物質(zhì)交換，也有能量交換。16，2，平衡態(tài)和非平衡態(tài)，1。平衡態(tài)，孤立系統(tǒng)，不受外界條件影響，經(jīng)過足夠長的時(shí)間，系統(tǒng)將達(dá)到宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，1)唯一性(p，T，V處處相等)；狀態(tài)參數(shù)2)物質(zhì)狀態(tài)的穩(wěn)定性與時(shí)間無關(guān)；3)自發(fā)過程的終點(diǎn)；4)熱力學(xué)平衡(不同于力平衡)，微觀粒子仍在不規(guī)則地運(yùn)動(dòng)。17歲。熱力學(xué)平衡的理想化概念表明了熱力學(xué)平衡狀態(tài)的條件，它可以用P、V和T圖來表示，而不用熱流。2.非平衡狀態(tài)，在本質(zhì)上，平衡狀態(tài)是相對(duì)的、特殊

6、的、局部的和暫時(shí)的。18，單位，壓力-帕斯卡體積-立方米溫度-開爾文，19，4.2溫度和溫度計(jì)，1。溫度，在日常生活中，溫度經(jīng)常被用來表示冷熱的程度。在微觀層面上，必須說明溫度是熱平衡系統(tǒng)中微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的量度。第二，熱力學(xué)第零定律。絕緣材料。不受外界影響，只要甲和乙同時(shí)與丙處于熱平衡，即使甲和乙不接觸，它們?nèi)匀惶幱跓崞胶?，這就是熱力學(xué)第零定律。3、熱力學(xué)第零定律的物理意義，熱平衡中的物體之間必須有一個(gè)相同的特征，即它們的溫度是相同的。第零定律不僅給出了溫度的概念，還指出了判斷溫度是否相同的方法。溫度計(jì)，21，3，溫度標(biāo)度，1，溫度標(biāo)度的建立，溫度的數(shù)值表達(dá)式稱為溫度標(biāo)度，溫度標(biāo)度，攝氏標(biāo)

7、度：t=0100C，熱力學(xué)溫度標(biāo)度：T=273.16 t，開爾文，2，熱力學(xué)溫度標(biāo)度，這是一個(gè)溫度標(biāo)度，獨(dú)立于溫度測量物質(zhì)和性質(zhì)，水的三相點(diǎn)對(duì)于具有一定質(zhì)量的同類氣體，理想氣體的宏觀定義是：實(shí)際氣體具有不太高的壓力和不太低的溫度都可以視為理想氣體，并且，23，馬坡定律PV=常數(shù)，蓋魯薩克定律V/T=常數(shù)，查理定律P/T=常數(shù)，m是氣體的質(zhì)量和它的摩爾質(zhì)量。R8.31 J/(molK)是摩爾氣體常數(shù)。理想氣體狀態(tài)方程，24，5，實(shí)際氣體狀態(tài)方程，昂納斯方程，用實(shí)際氣體修正理想狀態(tài)方程：甲、乙、丙等。是溫度t的函數(shù)，稱為威利系數(shù)，它與實(shí)際的氣體性質(zhì)有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)確定，范德瓦爾斯方程(考慮分子吸引和排

8、斥)，25，4.3統(tǒng)計(jì)定律的基本概念，隨機(jī)事件：在統(tǒng)計(jì)規(guī)則：中一個(gè)規(guī)則反映了作為一個(gè)整體的大量偶然事件。不可避免的事件，不可避免的發(fā)生。不會(huì)發(fā)生。隨機(jī)事件不能預(yù)先確定它們是否發(fā)生在一個(gè)測試中，但是大量的重復(fù)測試遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。例如，擲骰子，擲硬幣n次，面朝上NA次。當(dāng)n大時(shí)，擲硬幣的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，PA表示正面出現(xiàn)的概率。27、示例2。高爾頓板，28，陰影矩形區(qū)域是球落入XX槽的數(shù)量。以高爾頓的平板實(shí)驗(yàn)為例，29，4.3物質(zhì)的微觀模型，1。無序是氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的基本特征，系統(tǒng)中的每一個(gè)分子都在不斷地進(jìn)行不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，而且碰撞極其頻繁，所以分子之間的能量交換也極其頻繁，從而使分子的平均速度相同，

9、身體各部分的溫度和壓力趨于相等，從而達(dá)到平衡狀態(tài)。無序包含統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。盡管無序是氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的基本特征，但大量偶然的、無序的分子運(yùn)動(dòng)包含著一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即速度的方向分布是均勻的，并且在所有方向上運(yùn)動(dòng)的分子數(shù)是相同的。30，2。波動(dòng)現(xiàn)象，偏離統(tǒng)計(jì)平均值的現(xiàn)象稱為波動(dòng)現(xiàn)象，即所有與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的宏觀量都是統(tǒng)計(jì)平均值，某一時(shí)刻或局部范圍內(nèi)的實(shí)際值都偏離統(tǒng)計(jì)平均值。(投擲硬幣10次的概率可能與投擲硬幣10000次的概率不同。)，粒子數(shù)量越多，波動(dòng)現(xiàn)象越小；粒子數(shù)越少，波動(dòng)現(xiàn)象越明顯。統(tǒng)計(jì)規(guī)律具有以下特點(diǎn)： (1)它僅對(duì)大量的偶然事件有意義；(2)它是不同于個(gè)別規(guī)律的總體規(guī)律(量變到質(zhì)變)；(3)它總是

10、伴隨著波動(dòng)；(31) 4.4理想氣體微觀描述的基本理論；(1)理想氣體的微觀模型；(1)分子的大小比分子間距小得多，而粒子可以忽略不計(jì)；(2)。分子在兩次碰撞之間以勻速直線自由運(yùn)動(dòng)。3.理想氣體在平衡狀態(tài)下，分子之間以及分子與壁之間的碰撞完全是彈性碰撞。在常溫下，壓力低于幾個(gè)大氣壓的氣體通常可以滿足理想氣體方程。4.分子的運(yùn)動(dòng)遵循經(jīng)典力學(xué)定律，重力勢能被忽略。3.理想氣體壓力公式，假設(shè)在邊長為l1、l2和l3的長方體中有n個(gè)相同的質(zhì)量為m的氣體分子，計(jì)算出壁面上的壓力。壓力的本質(zhì)：氣體在壁上的壓力是大量分子不斷與容器碰撞的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。33，單個(gè)分子與壁的碰撞特性：偶然的和不連續(xù)的。大量分子碰

11、撞壁面的總效應(yīng)：恒力和連續(xù)力(類似于雨滴對(duì)雨傘的撞擊)，熱力學(xué)平衡統(tǒng)計(jì)定律(平衡態(tài))，1)分子按位置分布均勻，2)分子在各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)概率相等，分子在各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度為34。方向速度平方的平均值，在所有方向上的相等運(yùn)動(dòng)概率，相等概率假設(shè)：35，單個(gè)分子遵循力學(xué)定律，在X方向上的動(dòng)量變化，分子施加在壁上的沖量，兩次碰撞之間的間隔，每單位時(shí)間的碰撞次數(shù)，每單位時(shí)間單個(gè)分子施加在壁上的沖量，36，每單位時(shí)間單個(gè)分子施加在壁上的沖量，大量分子的總效應(yīng)， 單位時(shí)間內(nèi)N個(gè)粒子對(duì)壁面施加的總沖量，37，平均沖量，氣體壓力，統(tǒng)計(jì)規(guī)律，分子的平均平移動(dòng)能，38，分子的平均平移動(dòng)能，壓力是大量分子在時(shí)間和面積上

12、的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。 壓力的含義：1。壓力公式建立了宏觀量和微觀量之間的關(guān)系。它表明氣體壓力與每單位體積的分子數(shù)和分子的平均平移動(dòng)能成正比。2.解釋了壓力的微觀本質(zhì)，即氣體的壓力代表了單位面積、單位時(shí)間內(nèi)大量氣體分子作用于壁面的平均沖量。3.壓力是描述大量分子集體行為的平均效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)物理量，對(duì)單個(gè)分子來說毫無意義。40，n:分子數(shù)密度，讓一種質(zhì)量為m的理想氣體包含n個(gè)分子，如果分子質(zhì)量為m，那么m=Nm，avogadro定律：在相同的壓力和溫度下，所有種類的理想氣體在相同的體積中包含相同數(shù)量的分子。阿伏伽德羅定律，秩序，玻爾茲曼常數(shù)。與下面兩個(gè)公式相比：絕對(duì)溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的量度；1.溫度公式

13、從分子運(yùn)動(dòng)理論的角度定義溫度，表明氣體的溫度只與分子的平均平移動(dòng)能有關(guān)，是氣體分子平均平移動(dòng)能的量度。2.粒子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能與粒子質(zhì)量無關(guān)，如果氣體被壓縮和加熱，使其溫度從27上升到177，體積減半，氣體壓力會(huì)變化多少？此時(shí)氣體分子的平均平移動(dòng)能變化了多少？解決方案：45，46，2。道爾頓分壓定律和分體積定律。它是將各種互不反應(yīng)的氣體在容器中混合達(dá)到平衡狀態(tài)，然后混合氣體的壓力為，混合理想氣體的總壓力等于各成分氣體的分壓之和；混合理想氣體的總體積等于各組分氣體的部分體積之和；相同的溫度和壓力。溫度和壓力不同。溫度相同，但氦的壓力大于氮的壓力。溫度相同，但氦的壓力小于氮的壓力。一瓶氦氣和一瓶氮

14、氣的密度相同，分子的平均平移動(dòng)能相同，并且它們都處于平衡狀態(tài)，那么它們的理想氣體體積為V，壓力為P，溫度為T，分子質(zhì)量為M，K為玻璃，R為摩爾氣體常數(shù)，那么理想氣體的分子數(shù)為：(A) (B) (C) (D)，溶液，(49)，某一氣體系統(tǒng)以： N分子為研究對(duì)象，1。速度分布函數(shù)f (v)，分子速度分布在0之間，vv和dv之間有dN分子，麥克斯韋氣體分子速度分布率為4.4。f (v):它表示在接近v的單位速率區(qū)間內(nèi)分子數(shù)占分子總數(shù)的百分比，是速率v的函數(shù)，稱為氣體分子的速率分布函數(shù)。50，分布函數(shù)的圖形表示，f (v)表示單位速率區(qū)間的面積?？偯娣e：分布函數(shù)的歸一化條件，51，2，麥克斯韋速率分布

15、定律，分子數(shù)占分子速率的百分比在vv dv區(qū)間的理想氣體的平衡態(tài)是：一個(gè)分子質(zhì)量，氣體熱力學(xué)溫度，玻爾茲曼常數(shù)，52，表明速率分布曲線是一個(gè)統(tǒng)計(jì)定律，它只適用于由大量分子組成的氣體。DN僅代表某一速率附近dv速率區(qū)間內(nèi)分子數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值，該值在宏觀上足夠小，在微觀上足夠大。談?wù)撍俾实扔谀硞€(gè)值的分子數(shù)是沒有意義的。思考：以下意思，54，3。三個(gè)統(tǒng)計(jì)比率，1。最可能速率(最可能速率)vp，在一定溫度下，vp附近單位速率區(qū)間內(nèi)的相對(duì)分子數(shù)最大，即vp對(duì)應(yīng)于曲線f(v)的最大值，得到3360，2。平均利率，3。平均根速率，55平均速度：用于研究分子碰撞；平均根速率：用于研究分子的平均平移動(dòng)能；三者都有不同的用途！許多行星的溫度達(dá)到108K。在這個(gè)溫度下，原子不再存在，但氫原子核(質(zhì)子)確實(shí)存在。如果氫原子核被認(rèn)為是理想氣體，(1)氫原子核的均方根速率是多少？(2)氫原子核的平均平移動(dòng)能是多少？解： (1)，(2)，57，內(nèi)能，能量共享定理，能量共享定理，氣體內(nèi)能：所有氣體分子的動(dòng)能和勢能之和。在力學(xué)中，自由度是指確定物體空間位置所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)，所謂的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)是指描述物體位置所需的最小坐標(biāo)數(shù)。自由度是描述物體運(yùn)動(dòng)自由度的物理量。根據(jù)自由度原則，能量被平均分配。當(dāng)一艘船在海平面上行駛時(shí)，它至少需要二維坐標(biāo)來描述船的位置，所以自由度是2。飛機(jī)在空中飛