[理学]气体分子匀动论课件.ppt

第二篇第二篇 热热 学学第六章第六章 气体分子运动论气体分子运动论第七章第七章 热力学基础热力学基础一、热学的研究对象一、热学的研究对象 热学的研究对象：热学的研究对象：热现象、热运动以及热运动与其它运热现象、热运动以及热运动与其它运动形式之间相互转换所遵循的规律动形式之间相互转换所遵循的规律热现象：热现象：凡与温度有关的现象，如热胀、冷缩、蒸发、凡与温度有关的现象，如热胀、冷缩、蒸发、凝结、淬火、退火凝结、淬火、退火在自然界形形色色的物质运动中，许在自然界形形色色的物质运动中，许多都与温度有关，即与冷热变化有关多都与温度有关，即与冷热变化有关热运动：热运动：宏观物体内部大量微观粒子（分子、原子、电宏观物体内部大量微观粒子（分子、原子、电子）的无规则运动子）的无规则运动热运动是热现象的微观本质，热现象是热运动的宏观表现热运动是热现象的微观本质，热现象是热运动的宏观表现二二.热学的研究方法热学的研究方法由由宏观方法宏观方法出发，发展成为出发，发展成为热力学热力学热学研究方法有两种热学研究方法有两种由由微观统计方法微观统计方法出发形成出发形成统计物理学统计物理学；1.1.微观方法：微观方法：从分子的微观结构和热运动的概念出发，依据个别分子所从分子的微观结构和热运动的概念出发，依据个别分子所遵从的力学规律，运用统计的方法，揭示由大量分子构成的物遵从的力学规律，运用统计的方法，揭示由大量分子构成的物质的宏观现象的本质。

质的宏观现象的本质微观量微观量描述微观粒子特征的物理量；描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、动量等如质量、速度、能量、动量等2.2.宏观方法：宏观方法：热力学研究方法不考虑物质的微观结构，而以观察热力学研究方法不考虑物质的微观结构，而以观察、实实验所总结出的热力学规律为依据，运用严格的逻辑推理方法，验所总结出的热力学规律为依据，运用严格的逻辑推理方法，从从 能量的观点出发，研究宏观物质的热学性质能量的观点出发，研究宏观物质的热学性质宏观量宏观量描述宏观物体特性的物理量；描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、体积、热容量、密度、熵等如温度、压强、体积、热容量、密度、熵等微观粒子微观粒子观察和实验观察和实验出出 发发 点点热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质力学本质二者关系二者关系无法自我验证无法自我验证不深刻不深刻缺缺 点点揭露本质揭露本质普遍，可靠普遍，可靠优优 点点统计平均方法统计平均方法力学规律力学规律总结归纳总结归纳逻辑推理逻辑推理方方 法法微观量微观量宏观量宏观量物物 理理 量量热现象热现象热现象热现象研究对象研究对象微观理论微观理论（统计物理学）（统计物理学）宏观理论宏观理论（热力学）（热力学）第6章 气体动理论 扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STMSTM）一一 了解了解气体分子热运动的图像气体分子热运动的图像.二二 理解理解压强公式和温度公式。

从宏观和微观两方面理压强公式和温度公式从宏观和微观两方面理解压强和温度的概念解压强和温度的概念教学基本要求教学基本要求 三三 了解了解自由度概念，自由度概念，理解理解能量均分定理，会计算理想气能量均分定理，会计算理想气体（刚性分子模型）体（刚性分子模型）的定体摩尔热容、定压摩尔热容和内能的定体摩尔热容、定压摩尔热容和内能.四四 理解理解麦克斯韦速率分布律、分布函数和分布曲线的物麦克斯韦速率分布律、分布函数和分布曲线的物理意义理意义.掌握掌握三种统计速率三种统计速率五五 了解了解平均碰撞次数和平均自由程平均碰撞次数和平均自由程.6.1 6.1 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程一一.分子运动的基本观点分子运动的基本观点1.宏观物体由大量粒子（分子、原子等）组成，分子之间存在宏观物体由大量粒子（分子、原子等）组成，分子之间存在 一定的空隙一定的空隙2.分子在永不停息地作无序热运动分子在永不停息地作无序热运动(1)气体、液体、固体的扩散气体、液体、固体的扩散水和墨水的混合水和墨水的混合 相互压紧的金属板相互压紧的金属板例如：例如：(1)1cm3的空气中包含有的空气中包含有2.71019 个分子个分子(2)水和酒精的混合水和酒精的混合例如：例如：(2)布朗运动布朗运动ABC3.分子间存在相互作用力分子间存在相互作用力 假定分子间的相互作用力有球对称性时假定分子间的相互作用力有球对称性时，分子间的相互作，分子间的相互作用用(分子力分子力)可近似地表示为可近似地表示为(布布朗朗运运动动)式中式中r 表示两个分子中心的距离，表示两个分子中心的距离，、s、t 都是正数，其值都是正数，其值由实验确定。

由实验确定斥力斥力引力引力(分子力与分子间距离的关系分子力与分子间距离的关系)分子力表现为斥力分子力表现为斥力 分子力表现为引力分子力表现为引力 由由分子力与分子距离的关系，有分子力与分子距离的关系，有(平衡位置平衡位置)一切宏观物体都是由一切宏观物体都是由大量分子大量分子组成的，分子都在组成的，分子都在永不停息地永不停息地作无序热运动，分子之间有作无序热运动，分子之间有相互作用相互作用的分子力的分子力结论结论气体分子运动的规律气体分子运动的规律1.气体分子热运动可以看作是在惯性支配下的自由运动气体分子热运动可以看作是在惯性支配下的自由运动(1)由于气体分子由于气体分子间距离很大，而分子力的作用范距离很大，而分子力的作用范围又很小，又很小，除分子与分子、分子与器壁相互碰撞的瞬除分子与分子、分子与器壁相互碰撞的瞬间外，气体分外，气体分 子子间相互作用的分子力是极其微小的相互作用的分子力是极其微小的2)由于气体分子质量一般很小，因此重力对其作用一般可由于气体分子质量一般很小，因此重力对其作用一般可 以忽略以忽略2.气体分子间的相互碰撞是非常频繁的气体分子间的相互碰撞是非常频繁的 一秒内一个分子和其它分子一秒内一个分子和其它分子大约大约要碰撞几十要碰撞几十亿次次(10109 9次次/秒秒)二二.气体分子热运动及统计规律气体分子热运动及统计规律 统计规律的特征统计规律的特征 对于由大对于由大量分子组成的量分子组成的热力学系统从热力学系统从微观上加以研微观上加以研究时，必须用究时，必须用统计的方法统计的方法.小球在伽小球在伽尔顿板中的分尔顿板中的分布规律布规律.统计规律统计规律 当小球数当小球数 N 足够大时小球的分布具有统计规律足够大时小球的分布具有统计规律.设设 为第为第 格中的粒子数格中的粒子数.概率概率 粒子在第粒子在第 格中出现格中出现的可能性大小的可能性大小.归一化条件归一化条件.粒子总数粒子总数(1)(1)统计规律是统计规律是大量大量偶然事件的偶然事件的总体总体所遵从的规律所遵从的规律 (2)(2)统计规律和统计规律和涨落涨落现象是分不开的。

现象是分不开的结论结论3.3.气体分子热运动服从统计规律气体分子热运动服从统计规律 统计规律统计规律 气体处于气体处于平衡状态平衡状态时，气体分子沿各个方向运动的时，气体分子沿各个方向运动的概率相等，故有概率相等，故有 由于气体处于由于气体处于平衡状态平衡状态时，气体分子沿各个方向运时，气体分子沿各个方向运动的概率相等，故有动的概率相等，故有 物物质质的的性性质质和和所所遵遵从从的的规规律律大大不不相相同同，各各种种物物质质只只有有在在一定的温度和压强范围内才能处于某一确定的状态一定的温度和压强范围内才能处于某一确定的状态1 1物质的状态物质的状态 由大量分子、原子组成的物质可以有各种不同形式的聚由大量分子、原子组成的物质可以有各种不同形式的聚集态，如固态、液态、气态、等离子体状态和超固态集态，如固态、液态、气态、等离子体状态和超固态四气体的状态参量四气体的状态参量2 2.系统和外界系统和外界 热力学系统热力学系统热力学所研究的具体对象，简称系统热力学所研究的具体对象，简称系统系统是由大量分子组成，系统是由大量分子组成，如气缸中的气体如气缸中的气体外界外界系统以外的物体系统以外的物体3.气体的状态参量气体的状态参量 分子物理学和热力学研究的是气体粒子集合体的状态。

表分子物理学和热力学研究的是气体粒子集合体的状态表征集合状态的参量，征集合状态的参量，体积体积V V、压强压强P P、温度温度T T，这三个物理量称这三个物理量称为气体的状态参量为气体的状态参量温度温度(T)体积体积(V)压强压强(p)气体分子可能到达的整个空间的体积气体分子可能到达的整个空间的体积即容器容积即容器容积大量分子与器壁及分子之间不断碰撞而产生的宏大量分子与器壁及分子之间不断碰撞而产生的宏观效果观效果(1atm=1.01105Pa)（可表示真空度）可表示真空度）大量分子热运动的剧烈程度大量分子热运动的剧烈程度温标：温度的温标：温度的数值数值表示方法表示方法热力学温标：规定水的三相点温度为热力学温标：规定水的三相点温度为273.16 K室温：室温：300K标准状态：标准状态：0，1 1atmatm，1mol1mol气体气体22.422.4升升五五.平衡态和平衡平衡态和平衡过程过程1.1.平衡态平衡态在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态质在长时间内不发生变化的状态说明说明(1)不受外界影响是指系统与外界不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传热的方不通过作功或传热的方式交换能量，但可以处于均匀的外力场中；式交换能量，但可以处于均匀的外力场中；(2)平衡是热动平衡平衡是热动平衡(3)平衡态的气体平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值系统宏观量可用一组确定的值(P,V,T)表示表示(4)平衡态是一种平衡态是一种理想状态理想状态 平衡过程：平衡过程：无限缓慢进行的极限过程，中间状态都无限缓慢进行的极限过程，中间状态都无限接近于平衡状态无限接近于平衡状态准静态过程准静态过程2.2.平衡过程平衡过程系统从某状态开始经历一系列的中间状态系统从某状态开始经历一系列的中间状态到达另一状态的过程。

到达另一状态的过程热力学过程热力学过程1221非准静态过程非准静态过程系统经历一系列非平衡态的过程系统经历一系列非平衡态的过程实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的时间远大于实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的时间远大于系统的驰豫时间，均可看作准静态过程系统的驰豫时间，均可看作准静态过程如：如：实际汽缸的实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程压缩过程可看作准静态过程S说明说明 (1)准静态过程是一个理想过程准静态过程是一个理想过程；(3)准静态过程在状态图上准静态过程在状态图上可用一条曲线表示可用一条曲线表示,如图如图.(2)除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，大多数情大多数情况下都可以把实际过程看成是准静态过程；况下都可以把实际过程看成是准静态过程；OVp六六.理想气体的状态方程理想气体的状态方程（平衡态）（平衡态）物态方程：理想气体平衡态宏观参量间的函数关系物态方程：理想气体平衡态宏观参量间的函数关系.理想气体宏观定义理想气体宏观定义：遵守三个实验定律的气体：遵守三个实验定律的气体.玻马定律PV=constant盖吕萨克定律V/T=constant查理定律P/T=constantT不变P不变V不变方程推导方程推导0V（等压）（等压）（等温）（等温）消去消去 得：得：设设为标准状态为标准状态(P0，T0)，气体，气体质量为质量为M，摩尔质量为摩尔质量为即即摩尔气体常量摩尔气体常量:玻马定律PV=constant盖吕萨克定律V/T=constant查理定律P/T=constantT不变P不变V不变PV/T=R1mol克拉珀龙方程理想气体理想气体状态方程状态方程:气体质量气体质量摩尔质量摩尔质量微观领域理想气体状态方程：微观领域理想气体状态方程：设单个分子的质量为设单个分子的质量为 m，总总分子数为分子数为 N，则：则。