《氣體動理論》PPT課件.ppt

1、第十四章 氣體動理論,陳 麗 娟 理學(xué)院 TelEmail: ,本章重點： 理解理想氣體的壓強公式和溫度公式。 麥克斯韋速率分布律及速率分布函數(shù)和速率分布 曲線的物理意義。氣體分子熱運動的最概然速率、 算術(shù)平均速率、方均根速率。 理想氣體的定壓熱容、定容熱容和內(nèi)能。 本章難點： 壓強和溫度的微觀本質(zhì)，麥克斯韋速率分布律 及速率分布函數(shù)和速率分布曲線的物理意義,研究對象,熱運動 : 構(gòu)成宏觀物體的大量微觀粒子的永不休止的無規(guī)運動 .,熱現(xiàn)象 : 與溫度有關(guān)的物理性質(zhì)的變化。,單個分子 無序、具有偶然性、遵循力學(xué)規(guī)律.,整體（大量分子） 服從統(tǒng)計規(guī)律 .,宏觀量：表示大量

2、分子集體特征的物理量（可直接測量）, 如 等 .,微觀量：描述個別分子運動狀態(tài)的物理量（不可直接測量），如分子的 等 .,宏觀物體或物體系 熱力學(xué)系統(tǒng) 。,第四篇 熱 學(xué),1 氣體分子的熱運動,一. 物質(zhì)的微觀模型,1）宏觀物體是由大量分子組成的；,2）分子之間存在相互作用力-分子力；,3）分子作永不停息的運動-熱運動。,2 理想氣體狀態(tài)方程,一. 熱力學(xué)平衡態(tài)及其描述,孤立系：,封閉系：,開放系：,與外界沒有任何相互作用的熱力學(xué)系統(tǒng)。,與外界沒有實物交換但有能量交換的系統(tǒng)。,與外界既有實物交換又有能量交換的系統(tǒng)。,平 衡 態(tài):,一定量的氣體，在不受外界的影響下, 經(jīng)過一定的時間, 系統(tǒng)達到一

3、個穩(wěn)定的, 宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)稱為平衡態(tài) .（理想狀態(tài)）,平 衡 態(tài),一定量的氣體，在不受外界的影響下, 經(jīng)過一定的時間, 系統(tǒng)達到一個穩(wěn)定的, 宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)稱為平衡態(tài) .（理想狀態(tài)）,氣體的狀態(tài)參量及其單位（宏觀量）,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓： 緯度海平面處, 時的大氣壓.,溫度,溫度的概念來自熱平衡,A、B系統(tǒng)各自達到各自的平衡態(tài),A、B兩系統(tǒng)只能達到一個共同的平衡態(tài),熱力學(xué)第零定律：,如果系統(tǒng)B和系統(tǒng)C分別與系統(tǒng)A的同一狀態(tài)處于熱平衡，那么當(dāng)B和C接觸時，它們也必定處于熱平衡。,描述這一共同宏觀性質(zhì)的物理量稱為溫度。,溫度,宏觀上反映了物體的冷熱程度,微觀上反映了物體內(nèi)部分子無規(guī)

4、則運動的劇烈程度,溫度的數(shù)值表示溫標(biāo),攝氏溫標(biāo)（t）,國際單位制中采用熱力學(xué)溫標(biāo)單位-開爾文 T,熱力學(xué)第三定律：,不可能使一個物體冷卻到絕對零度（0K）的溫度。,0K是指絕對零度。,理想氣體宏觀定義：遵守三個實驗定律的氣體 .,波意爾-馬略特定律:,蓋呂薩克定律:,查理定律:,二. 理想氣體狀態(tài)方程,實際氣體在壓強不太大（與大氣壓相比）和溫度不太低（與室溫相比）的情況下可視為理想氣體。,狀態(tài)方程：理想氣體平衡態(tài)宏觀參量間的函數(shù)關(guān)系 .,摩爾氣體常量,對一定質(zhì)量的同種氣體,理想氣體物態(tài)方程,設(shè)氣體質(zhì)量為m，摩爾質(zhì)量為M,理想氣體方程的簡要形式,一摩爾理想氣體的分子數(shù)為,(理想氣體方程的簡要形式

5、),為分子數(shù)密度,波爾茲曼常數(shù),阿伏伽德羅常數(shù),設(shè)系統(tǒng)的總質(zhì)量為m，分子總數(shù)為N，分子質(zhì)量為 ，,3 氣體分子的統(tǒng)計規(guī)律,小球在伽爾頓板中的分布規(guī)律 .,一. 統(tǒng)計規(guī)律性,大量偶然事件從整體上反 映出來的一種規(guī)律性。,某一事件 i 發(fā)生的概率為 Pi Ni -事件 i 發(fā)生的 次數(shù) N -各種事件發(fā)生的總次數(shù),統(tǒng)計規(guī)律 當(dāng)小球數(shù) N 足夠大時小球的分布具有統(tǒng)計規(guī)律.,表示速率在 區(qū)間的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比 .,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 .,單個分子速率不可預(yù)知，大量分子的速率分布是遵循統(tǒng)計規(guī)律，是確定的，這個規(guī)律也叫麥克斯韋速率分布律。,

6、速率分布函數(shù),二. 麥克斯韋速率分布,麥?zhǔn)戏植己瘮?shù),反映理想氣體在熱平衡下，各速率區(qū) 間分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比的規(guī)律 .,歸一化條件,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,三. 三種統(tǒng)計速率,1）最概然速率,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)的相對分子數(shù)最多 .,1) T一定時,2) m（M）一定時,例 圖為同一種氣體，處于不同溫度狀態(tài)下的速率分布曲線，試問（1）哪一條曲線對應(yīng)的溫度高？（2）如果這兩條曲線分別對應(yīng)的是同一溫度下氧氣和氫氣的分布曲線，問哪條曲線對應(yīng)的是氧氣，哪條對應(yīng)的是氫氣？,解：,(1) T1 T2,(2) 紅：

7、氧 黑：氫,例 如圖示兩條 曲線分別表示氫氣和 氧氣在同一溫度下的麥克斯韋速率分布曲線， 從圖 上數(shù)據(jù)求出氫氣和氧氣的最可幾速率 .,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） 是麥克斯韋速率分布函數(shù)的最大值. （D） 速率大小與最概然速率相近的氣體分子的比 率最大.,2）平均速率,3）方均根速率,求 1） 速率在 間的分子數(shù)； 2）速率在 間所有分子動能之和 .,例 已知分子數(shù) ，分子質(zhì)量 ，分布函數(shù),例 計算在 時，氫氣分子的方均根速率 .,v,Nf(v),a,測定氣體分子速率分布的實驗,小孔

8、充分小，改變，測D上的沉積厚度，就可測氣體速率分布,四. 玻耳茲曼能量分布（選講）,保守力場中分子的能量：,空間區(qū)域：,速度區(qū)間：,玻耳茲曼能量分布律：,體元中含有各種速度的分子數(shù)為,玻耳茲曼密度分布律：,等溫氣壓公式,T不變,等溫氣壓公式,重力場中微粒按高度的分布,等溫氣壓公式,分子數(shù)密度隨高度變化規(guī)律,任意保守立場,4 氣體分子的平均自由程,自由程 ： 分子兩次相鄰碰撞之間自由通過的路程 .,分子平均碰撞頻率：單位時間內(nèi)一個分子和其它分子碰撞的平均次數(shù) .,分子平均自由程：每兩次連續(xù)碰撞之間，一個分子自由運動的平均路程 .,單位時間內(nèi)平均碰撞次數(shù),考慮其他分子的運動,分子平均碰撞次數(shù),分子

9、平均碰撞次數(shù),平均自由程,氣體容器線度小于平均自由程計算值時，實際平均自由程 就是容器線度的大小。,解,例 求氫在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下一秒內(nèi)分子的平均碰撞頻率。（已知分子直徑d = 210-10m ),解：,（約80億次）,5 理想氣體的壓強和溫度公式,一. 理想氣體的微觀模型,1. 對單個分子的力學(xué)性質(zhì)的假設(shè),（1）分子可視為質(zhì)點。,（2）每個分子是完全彈性小球。,（3）除碰撞瞬間外，分子之間無相互作用。,（4）單個分子服從牛頓力學(xué),2. 對分子集體的統(tǒng)計假設(shè),（1）分子的速度各不相同，而且通過碰撞不斷變化著；,（2）平衡態(tài)分子數(shù)密度到處一樣；,（3）平衡態(tài)時分子的速度按方向的分布是各向均勻的,等概率

10、假設(shè),設(shè) 邊長分別為 x、y 及 z 的長方體中有 N 個全同的質(zhì)量為 m 的氣體分子，計算 壁面所受壓強 .,二. 理想氣體壓強公式,分子運動速度,分子施于器壁的沖量,單個分子單位時間施于器壁的沖量（平均沖力）,x方向動量變化,兩次碰撞間隔時間,單個分子遵循力學(xué)規(guī)律,分子運動速度,單位時間 N 個粒子對器壁總沖量,大量分子總效應(yīng),單個分子單位時間施于器壁的沖量,器壁 所受平均沖力,氣體壓強,統(tǒng)計規(guī)律,分子平均平動動能,器壁 所受平均沖力,1）壓強決定于分子數(shù)密度和分子平均平 動動能；,注意：,理想氣體的壓強公式,三. 理想氣體的溫度,1）溫度的統(tǒng)計意義-氣體溫度是氣體分子平均平動動能的量度。

11、-是大量分子運動的宏觀量度。,3）熱力學(xué)第三定律：,不可能使一個物體冷卻到絕對零度（0K）的溫度。,2）只要溫度相同，不同氣體的平均平動動能相等。,（分子具有永不停止地?zé)o規(guī)則運動）,（A）溫度相同、壓強相同。 （B）溫度、壓強都不同。 （C）溫度相同，但氦氣的壓強大于氮氣的壓強. （D）溫度相同，但氦氣的壓強小于氮氣的壓強.,解,例：一瓶氦氣和一瓶氮氣密度相同，分子平均平動動能相同，而且它們都處于平衡狀態(tài)，則它們,例 理想氣體體積為 V ，壓強為 p ，溫度為 T ,一個分子 的質(zhì)量為 m ，k 為玻爾茲曼常量，R 為摩爾氣體常量，則該理想氣體的分子數(shù)為：,解,7 理想氣體的熱力學(xué)能,一. 自由度,-決定一個物體的位置所需要的獨立坐標(biāo)數(shù)目,舉例：質(zhì)點在三維空間運動。,三個獨立坐標(biāo):,剛體的運動分解為質(zhì)心的平動和繞通過質(zhì)心的軸的轉(zhuǎn)動,剛體,確定一個剛體位置要三個平動自由度、三個轉(zhuǎn)動自由度共計六個自由度,剛體的自由度：,氣體分子的自由度,理想氣體的剛性分子,A：單原子分子-3個自由度,B：雙原子分子,決定質(zhì)心-3個自由度,確定轉(zhuǎn)軸方位-2個自由度,C：多原子分子-,6個自由度-視為剛體,一般來說,二. 能量均分定理,單原子分子的平均平動動能,每一個平動自由度所對應(yīng)的分子動能,能量均分定理：在溫度為T的熱平衡狀態(tài)下，物質(zhì)分子的