第10章-气体动理论PPT讲稿.ppt

第10章-气体动理论第1页，共101页，编辑于2022年，星期一10-1 气体动理论的基本概念10-1-1 分子动理论的基本观点 按照物质结构的理论，自然界所有的物质实体按照物质结构的理论，自然界所有的物质实体都是由分子组成，分子处于永不停息的、杂乱无都是由分子组成，分子处于永不停息的、杂乱无章的运动之中；分子与分子之间相隔一定的距离，章的运动之中；分子与分子之间相隔一定的距离，且存在相互作用力。这样一种关于物质结构的理且存在相互作用力。这样一种关于物质结构的理论称为论称为“分子动理论分子动理论”。分子热运动：大量分子的无规则运动大量分子的无规则运动第2页，共101页，编辑于2022年，星期一阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数(NA)：1 mol 的任何物质含有的分子数。的任何物质含有的分子数。单单位体位体积积内的分子数内的分子数物物质质密度密度（kgm3）摩摩尔尔质质量量M（kgmol1）分子分子质质量量m0（kg）分子数密度分子数密度n（m-3）铁铁7.81035610-39.310-268.41028水水1031810-33.010-263.31028氮氮1.152810-34.610-262.51025第3页，共101页，编辑于2022年，星期一分子动理论的基本观点：分子动理论的基本观点：1.1.分子与分子之间存在着一定的距离分子与分子之间存在着一定的距离 2.2.分子间存在相互作用力分子间存在相互作用力 rr0Of引力引力斥力斥力3.3.构成物质的分子处于永恒构成物质的分子处于永恒的、杂乱无章的运动之中。的、杂乱无章的运动之中。第4页，共101页，编辑于2022年，星期一10-1-2 分子热运动与统计规律 气体分子动理论是从物质的微观分子热运动出发，气体分子动理论是从物质的微观分子热运动出发，去研究气体热现象的理论。去研究气体热现象的理论。微观量：微观量：分子的质量、速度、动量、能量等。分子的质量、速度、动量、能量等。宏观量：宏观量：温度、压强、体积等。温度、压强、体积等。在宏观上不能直接进行测量和观察。在宏观上不能直接进行测量和观察。在宏观上能够直接进行测量和观察。在宏观上能够直接进行测量和观察。第5页，共101页，编辑于2022年，星期一定义定义:某一事件某一事件 i 发生的概率为发生的概率为 Pi Ni -事件事件 i 发生的发生的 次数次数 N -各种事件发生的各种事件发生的 总次数总次数NNPiNilim=对分子集体的统计假设对分子集体的统计假设什么是统计规律性什么是统计规律性 大量偶然事件从整体上反映出来的一种规律性。大量偶然事件从整体上反映出来的一种规律性。有人居然用这有人居然用这种方法赚钱种方法赚钱!第6页，共101页，编辑于2022年，星期一宏观量与微观量的关系：宏观量与微观量的关系：宏观量与微观量的内在联系表现在大量分子杂乱宏观量与微观量的内在联系表现在大量分子杂乱无章的热运动遵从一定的统计规律性上。在实验中，无章的热运动遵从一定的统计规律性上。在实验中，所测量到的宏观量只是大量分子热运动的统计平均值。所测量到的宏观量只是大量分子热运动的统计平均值。统计规律有以下几个特点统计规律有以下几个特点:（1）只对大量偶然的事件才有意义）只对大量偶然的事件才有意义.（2）它是不同于个体规律的整体规律）它是不同于个体规律的整体规律(量变到质变量变到质变).（3）总是伴随着涨落）总是伴随着涨落.第7页，共101页，编辑于2022年，星期一10-1-3 理想气体的微观模型 理想气体的微观模型：1.1.分子线度与分子间距相比较可忽略，分子被看作分子线度与分子间距相比较可忽略，分子被看作质点。质点。2.2.除了分子碰撞的瞬间外，忽略分子间的相互作用。除了分子碰撞的瞬间外，忽略分子间的相互作用。3.3.气体分子在运动中遵守经典力学规律，假设碰撞气体分子在运动中遵守经典力学规律，假设碰撞为弹性碰撞。为弹性碰撞。单个分子的力学性质假设：单个分子的力学性质假设：第8页，共101页，编辑于2022年，星期一大量分子集体的统计假设：大量分子集体的统计假设：VNdVdNn=dV-体积元（宏观小，微观大）体积元（宏观小，微观大）（2）平衡态时分子按位置的分布是均匀的，即分）平衡态时分子按位置的分布是均匀的，即分 子数子数密度到处一样，不受重力影响；密度到处一样，不受重力影响；（1）分子的速度各不相同，而且通过碰撞不断变）分子的速度各不相同，而且通过碰撞不断变 化着；化着；第9页，共101页，编辑于2022年，星期一（3 3）平衡态时分子的速度按方向的分布是各向均匀的）平衡态时分子的速度按方向的分布是各向均匀的 第10页，共101页，编辑于2022年，星期一10-2 理想气体状态方程的微观解释10-2-1 理想气体压强的统计意义 克劳修斯指出：克劳修斯指出：“气体对容器气体对容器壁的压强是大量分子对容器壁碰壁的压强是大量分子对容器壁碰撞的平均效果撞的平均效果”。设设:体积：体积：V ;分子数：分子数：N;分子数密度：分子数密度：n 分子质量：分子质量：m0立方体容器：立方体容器：第11页，共101页，编辑于2022年，星期一O将分子按速度大小分组，每一将分子按速度大小分组，每一组的分子具有相同的速率。假组的分子具有相同的速率。假设每组的分子数密度为设每组的分子数密度为 ni，速率为速率为 vi。x 方向分子与器壁碰撞后动方向分子与器壁碰撞后动量的增量：量的增量：分子对器壁的冲量：分子对器壁的冲量：第12页，共101页，编辑于2022年，星期一同组中同组中dt时间内与面元时间内与面元dS碰撞的分子数：碰撞的分子数：O冲量：冲量：因为只有因为只有 vix 0 的分子才的分子才能与一侧器壁发生碰撞，能与一侧器壁发生碰撞，所以有：所以有：作用于面元的压力：作用于面元的压力：第13页，共101页，编辑于2022年，星期一压强：压强：根据统计假设：根据统计假设：O 第14页，共101页，编辑于2022年，星期一因为因为所以所以道尔顿分压定律：道尔顿分压定律：混合气体的压强等于其中各种气体分混合气体的压强等于其中各种气体分子组分压强之总和。子组分压强之总和。第15页，共101页，编辑于2022年，星期一10-2-2 温度的微观意义结论：温度标志着物体内部分子热运动的剧烈程度，它是大量分子热运动的平均平动动能的量度。第16页，共101页，编辑于2022年，星期一因为因为方均根速率：方均根速率：在在00C时时,H2分子与分子与O2分子的方均根速率为多少分子的方均根速率为多少?音速与它们在同一个量级上音速与它们在同一个量级上!地球表面逃逸速度为地球表面逃逸速度为11.2km/s,氢方均根速率为其氢方均根速率为其1/6,氧方均根速率为其氧方均根速率为其1/25,所以大气中原有的氢弥散到太空中所以大气中原有的氢弥散到太空中!第17页，共101页，编辑于2022年，星期一10-2-3 理想气体状态方程的微观解释第18页，共101页，编辑于2022年，星期一例例例例1.1.1.1.试求氮气分子的平均平动动能和方均根速率。设试求氮气分子的平均平动动能和方均根速率。设（1）在温度）在温度t=1000时；（时；（2）t=0时。时。解：解：第19页，共101页，编辑于2022年，星期一10-2-4 真实气体的范德瓦尔斯方程 二氧化碳气体的等温线二氧化碳气体的等温线 13等温线：等温线：GA部分：与理想气体的等部分：与理想气体的等温线相似。温线相似。AB部分：汽液共存。部分：汽液共存。饱和汽：饱和汽：在汽液共存时的在汽液共存时的蒸汽。蒸汽。BD部分：曲线几乎与体积轴部分：曲线几乎与体积轴垂直，反映了液体不易压缩垂直，反映了液体不易压缩的性质。的性质。第20页，共101页，编辑于2022年，星期一21等温线等温线:汽液共存线较短，饱和汽汽液共存线较短，饱和汽压强较高压强较高。结论：结论：饱和汽压强与蒸饱和汽压强与蒸汽的体积无关、却与汽的体积无关、却与温度有关。温度有关。31.1 时：时：临界等温线临界等温线 汽液共存线收缩为一拐点，称为汽液共存线收缩为一拐点，称为临界点临界点。48.1时：时：其等温线相似于理想气体的等轴双曲线。其等温线相似于理想气体的等轴双曲线。第21页，共101页，编辑于2022年，星期一对理想气体状态的修正：对理想气体状态的修正：（1）体积修正）体积修正设设V 为容器体积，为容器体积，b为一摩尔分子所占体积。为一摩尔分子所占体积。或（2）压强修正）压强修正f第22页，共101页，编辑于2022年，星期一 考虑分子间存在引力，气体分子施与器壁的压强应减考虑分子间存在引力，气体分子施与器壁的压强应减少一个量值，称为少一个量值，称为内压强内压强（pi）。）。a为比例系数为比例系数范德瓦尔斯方程：范德瓦尔斯方程：第23页，共101页，编辑于2022年，星期一 范德瓦耳斯方程描述范德瓦耳斯方程描述二氧化碳气体等温线曲线二氧化碳气体等温线曲线与真实气体的等温曲线比与真实气体的等温曲线比较，除在低温时，在虚线较，除在低温时，在虚线部分不符外，其它都能很部分不符外，其它都能很好的吻合好的吻合。第24页，共101页，编辑于2022年，星期一10.3 能量按自由度均分原理 10-3-1 10-3-1 自由度自由度自由度：自由度：确定一个物体在空间的位置所必需的独确定一个物体在空间的位置所必需的独 立坐标数目。立坐标数目。作直线运动的质点：一个自由度一个自由度作平面运动的质点：二个自由度二个自由度作空间运动的质点：三个自由度三个自由度平动自由度平动自由度(t);转动自由度转动自由度(r);振动自由度振动自由度(s)总自由度总自由度i=t+r+2s(一般不考虑一般不考虑s,即即s=0)第25页，共101页，编辑于2022年，星期一运动刚体的自由度：运动刚体的自由度：zyx Czxy结论：结论：自由刚体有自由刚体有六个六个自由度自由度三个三个平动平动自由度自由度三个三个转动转动自由度自由度第26页，共101页，编辑于2022年，星期一单原子分子：单原子分子：一个原子构成一个分子一个原子构成一个分子多原子分子：多原子分子：三个以上原子构成一个分子三个以上原子构成一个分子双原子分子：双原子分子：两个原子构成一个分子两个原子构成一个分子三个自由度三个自由度氢、氧、氮等氢、氧、氮等五个自由度五个自由度氦、氩等氦、氩等六个自由度六个自由度水蒸汽、甲烷等水蒸汽、甲烷等第27页，共101页，编辑于2022年，星期一10-3-2 10-3-2 能量按自由度均分原理能量按自由度均分原理 单原子分子：单原子分子：第28页，共101页，编辑于2022年，星期一能量均分定理：能量均分定理：“i”为分子自由度数为分子自由度数 在温度为在温度为T 的平衡态下，物质分子的每个自由的平衡态下，物质分子的每个自由度都具有相同的平均动能，其值为度都具有相同的平均动能，其值为 。分子平均动能：分子平均动能：单原子分子：单原子分子：多原子分子：多原子分子：双原子分子：双原子分子：理想气体内能理想气体内能只是温度的函只是温度的函数，与热力学数，与热力学温度成正比。温度成正比。注意注意第29页，共101页，编辑于2022年，星期一例例2.请指出下列式子的物理意义请指出下列式子的物理意义:(1)温度为温度为T平衡态时平衡态时,系统每个分子自由度的平均动能系统每个分子自由度的平均动能;(2)温度为温度为T平衡态时平衡态时,自由度为自由度为i的分子平均动能的分子平均动能;(3)温度为温度为T平衡态时平衡态时,v摩尔自由度为摩尔自由度为i的分子平均总动能的分子平均总动能;(4)温度为温度为T平衡态时平衡态时,一个分子的平均平动动能一个分子的平均平动动能;解：解：第30页，共101页，编辑于2022年，星期一例例3.篮球充气后篮球充气后,其中有氮气其中有氮气8.5g,温度为温度为170C,在空中在空中 以以65km/h高速飞行高速飞行.求求:(1)一个氮分子的平均平动动能一个氮分子的平均平动动能,平均转动动能平均转动动能,平均平均 总动能总动能;(2)球内氮气的内能球内氮气的内能;(3)球内氮气的轨道动能球内氮气的轨道动能;解：解：第31页，共101页，编辑于2022年，星期一例例4.一个以匀速度为一个以匀速度为u运动的容器中运动的容器中,盛有分子质量为盛有分子质量为m0的某种单原子理想气体的某种单原子理想气体,若使容器突然停止运动若使容器突然停止运动,则气体则气体状态达到平衡后状态达到平衡后,其温度的增量为多少其温度的增量为多少?解解:以匀速度以匀速度u运动的容器内气体分子平均动能总和为运动的容器内气体分子平均动能总和为 所有分子都有速度为所有分子都有速度为u轨道动能轨道动能,突然停止后突然停止后,由于都是弹性由于都是弹性 碰撞碰撞,将会无损耗地转化成为系统的内能将会无损耗地转化成为系统的内能!第32页，共101页，编辑于2022年，星期一例例5.一孤立容器被中间隔板分成两半一孤立容器被中间隔板分成两半,一半装有氦气一半装有氦气,温温度为度为250K;另一半装有氧气另一半装有氧气,温度为温度为310K.二者压强相等二者压强相等.求去掉隔板两种气体混合后的温度求去掉隔板两种气体混合后的温度.解解:由题义可知由题义可知,混合前后的内能是不发生变化的混合前后的内能是不发生变化的 混合前的内能为混合前的内能为:假设混合后的温度为假设混合后的温度为Tx,则混合后总内能为则混合后总内能为:有有 第33页，共101页，编辑于2022年，星期一10-3-3 10-3-3 理想气体的内能理想气体的内能 摩尔热容摩尔热容 内能：内能：气体中所有分子的动能和分子间相互作用势气体中所有分子的动能和分子间相互作用势能的总和。能的总和。理想气体内能：理想气体内能：气体中所有分子的动能。气体中所有分子的动能。一摩尔理想气体内能：一摩尔理想气体内能：质量为质量为m，摩尔质量为，摩尔质量为M的理想气体内能：的理想气体内能：第34页，共101页，编辑于2022年，星期一内能的改变量：内能的改变量：结论：结论：理想气体的内能只是温度的单值函数。1mol 理想气体在等体过程中吸收的热量为理想气体在等体过程中吸收的热量为 定体摩尔热容：定体摩尔热容：第35页，共101页，编辑于2022年，星期一根据迈耶公式：根据迈耶公式：定压摩尔热容：定压摩尔热容：比热容比：比热容比：第36页，共101页，编辑于2022年，星期一例例6.容器内有某种理想气体，气体温度为容器内有某种理想气体，气体温度为273K，压强，压强为为0.01 atm(1atm=1.013105 Pa)，密度为，密度为1.2410-2 kg m-3。试求：。试求：（1）气体分子的方均根速率；气体分子的方均根速率；（2）气体的摩尔质量，并确定它是什么气体；气体的摩尔质量，并确定它是什么气体；（3）气体分子的平均平动动能和平均转动动能各是多气体分子的平均平动动能和平均转动动能各是多少；少；（4）单位体积内分子的平动动能是多少；单位体积内分子的平动动能是多少；（5）若气体的摩尔数为若气体的摩尔数为0.3mol，其内能是多少。，其内能是多少。第37页，共101页，编辑于2022年，星期一（1）气体分子的方均根速率为气体分子的方均根速率为 解解由状态方程由状态方程 第38页，共101页，编辑于2022年，星期一（2）根据状态方程，得根据状态方程，得 氮气（氮气（N2）或一氧化碳（）或一氧化碳（CO）气体）气体第39页，共101页，编辑于2022年，星期一（3）分子的平均平动动能：分子的平均平动动能：分子的平均转动动能：分子的平均转动动能：（4）单位体积内的分子数：单位体积内的分子数：第40页，共101页，编辑于2022年，星期一（5）根据内能公式根据内能公式 第41页，共101页，编辑于2022年，星期一10-4 10-4 麦克斯韦速率分布麦克斯韦速率分布 10-4-1 麦克斯韦速率分布函数 设有设有 N=100 个粒子，速率范围：个粒子，速率范围：0 300 m s-1 20 0.2500.5300.3第42页，共101页，编辑于2022年，星期一单位速率区间内分子数占总分子数的百分率：单位速率区间内分子数占总分子数的百分率：速率分布函数：速率分布函数：速率分布函数的物理意义：速率分布函数的物理意义：速率在速率在 v 附近，单位速率区间内分子数占总分子附近，单位速率区间内分子数占总分子数的百分率。数的百分率。第43页，共101页，编辑于2022年，星期一麦克斯韦速率分布函数：麦克斯韦速率分布函数：f(v)vdv玻耳兹曼常量：玻耳兹曼常量：第44页，共101页，编辑于2022年，星期一f(v)vv2v1结论：结论：在麦克斯韦速率分布曲线下的任意一块面积在数值上等在麦克斯韦速率分布曲线下的任意一块面积在数值上等于相应速率区间内分子数占总分子数的百分率。于相应速率区间内分子数占总分子数的百分率。归一化条件：归一化条件：第45页，共101页，编辑于2022年，星期一10-4-2 气体分子速率分布的测定 1934年我国年我国物理学家葛正物理学家葛正权用实验测定权用实验测定了分子的速率了分子的速率分布分布。第46页，共101页，编辑于2022年，星期一10-4-3 三个统计速率（1）平均速率：）平均速率：设：速率为设：速率为v1的分子数为的分子数为 N1个；个；速率为速率为v2的分子数为个的分子数为个 N2；。总分子数：总分子数：N=N1+N2+Nn 第47页，共101页，编辑于2022年，星期一（2）方均根速率：方均根速率：第48页，共101页，编辑于2022年，星期一（3）最概然速率：）最概然速率：f(v)v 在平衡态条件下，理想气体分子速率分布在在平衡态条件下，理想气体分子速率分布在vp附近的单附近的单位速率区间内的分子数占气体总分子数的百分比最大。位速率区间内的分子数占气体总分子数的百分比最大。第49页，共101页，编辑于2022年，星期一平均速率平均速率v=8kT m0=8RT M方均根速率方均根速率v2=3kTm0=3RTM到目前为止到目前为止,我们已学过我们已学过三种速率三种速率注意注意vp=2kTm0=2RTM最概然速率最概然速率讨论速率分布讨论速率分布讨论分子碰撞次讨论分子碰撞次数数讨论分子的平均平讨论分子的平均平动能动能第50页，共101页，编辑于2022年，星期一例例7.试说明下列公式的物理意义试说明下列公式的物理意义:(4)速率处在速率间隔速率处在速率间隔v1v2之内的分子平动动能之和之内的分子平动动能之和.(5)速率处在速率处在vv+dv,坐标处在坐标处在xx+dx,yy+dy,zz+dz区间内的分子数区间内的分子数;(1)速率处在速率间隔速率处在速率间隔v1v2之内的分子的平均速率之内的分子的平均速率;(2)(3)无实际意义无实际意义,注意同注意同(1)比较比较;请回答思考题请回答思考题:10-7 P63第51页，共101页，编辑于2022年，星期一f(v)vT1T2例例8.图为同一种气体，处于不同温度状态下的速率分布曲线，图为同一种气体，处于不同温度状态下的速率分布曲线，试问（试问（1）哪一条曲线对应的温度高？（）哪一条曲线对应的温度高？（2)如果这两条曲线分如果这两条曲线分别对应的是同一温度下氧气和氢气的分布曲线，问哪条曲线别对应的是同一温度下氧气和氢气的分布曲线，问哪条曲线对应的是氧气，哪条对应的是氢气？对应的是氧气，哪条对应的是氢气？(思考题思考题10-6)解：解：(1)T1 v 0)0 (v vo)1、作速率分布曲线。、作速率分布曲线。2、由、由N 和和vo求常量求常量C。3、求粒子的平均速率。、求粒子的平均速率。4、求粒子的方均根速率。、求粒子的方均根速率。Cvovo解：解：第55页，共101页，编辑于2022年，星期一第56页，共101页，编辑于2022年，星期一例例 11.有有N个粒子个粒子,其速度分布函数为其速度分布函数为:(1)作速率分布曲线并求常数作速率分布曲线并求常数a;(2)分别求速率大于分别求速率大于v0和小于和小于v0的粒子数的粒子数;(3)求粒子的平均速率求粒子的平均速率;解解:(1)第57页，共101页，编辑于2022年，星期一(2)vv0的粒子数为的粒子数为:vv0的粒子数为的粒子数为:(3)平均速率为平均速率为:第58页，共101页，编辑于2022年，星期一10-5 10-5 玻耳兹曼能量分布玻耳兹曼能量分布 奥地利物理学家玻耳兹奥地利物理学家玻耳兹曼（曼（Boltzmann，1844-1906），在麦克斯韦速率分布），在麦克斯韦速率分布的基础上考虑到外力场对气体的基础上考虑到外力场对气体分子分布的影响，建立了气体分子分布的影响，建立了气体分子按能量的分布规律。分子按能量的分布规律。第59页，共101页，编辑于2022年，星期一10-5-1 重力场中分子数密度分布 大气薄层的质量：大气薄层的质量：第60页，共101页，编辑于2022年，星期一等温气压公式：等温气压公式：p(0)为海平面的大气压为海平面的大气压p(z)为海拔高度为为海拔高度为 z 的大气压的大气压因为因为第61页，共101页，编辑于2022年，星期一为分子的重力势能第62页，共101页，编辑于2022年，星期一10-5-2 玻耳兹曼能量分布 保守力场中分子的能量：保守力场中分子的能量：空间区域：空间区域：速度区间：速度区间：玻耳兹曼能量分布律：玻耳兹曼能量分布律：第63页，共101页，编辑于2022年，星期一根据归一化条件根据归一化条件 体元中含有各种速度的分子数为体元中含有各种速度的分子数为 玻耳兹曼密度分布律：玻耳兹曼密度分布律：第64页，共101页，编辑于2022年，星期一10-5-3 大气的垂直温度梯度设气体的上升过程是一个准静态的绝热过程。设气体的上升过程是一个准静态的绝热过程。取微分取微分 解得解得 因为因为 第65页，共101页，编辑于2022年，星期一空气分子平均摩尔质量：空气分子平均摩尔质量：M=2910-3 kg.mol-1；比热容比比热容比：=1.4 海拔高度每升高海拔高度每升高100 m温度降低约温度降低约 1 K。第66页，共101页，编辑于2022年，星期一10-6 10-6 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程 和碰撞频率和碰撞频率 10-6-1 分子的平均碰撞频率 碰撞频率（碰撞频率（z z）：）：单位时间内，分子与其它分子发单位时间内，分子与其它分子发生碰撞的平均次数。生碰撞的平均次数。第67页，共101页，编辑于2022年，星期一分子直径：分子直径：d，分子数密度：，分子数密度：n单位时间内有单位时间内有 个分子和该分子发生碰撞个分子和该分子发生碰撞碰撞频率：碰撞频率：dd第68页，共101页，编辑于2022年，星期一平均自由程（平均自由程（）：分子在连续两次和其它分子发分子在连续两次和其它分子发生碰撞之间所通过的自由路程的平均值。生碰撞之间所通过的自由路程的平均值。10-6-2 平均自由程 平均自由程：平均自由程：结论：结论：平均自由程只与分子的直径和密度有关，而与平平均自由程只与分子的直径和密度有关，而与平均速率无关。均速率无关。第69页，共101页，编辑于2022年，星期一结论：结论：当温度一定时，平均自由程与压强成反比，压强越当温度一定时，平均自由程与压强成反比，压强越小，平均自由程越长。小，平均自由程越长。第70页，共101页，编辑于2022年，星期一例例12.12.求氢在标准状态下一秒内分子的平均碰撞次数。求氢在标准状态下一秒内分子的平均碰撞次数。（已知分子直径（已知分子直径d=2 10-10m)解：解：（约（约80亿次）亿次）第71页，共101页，编辑于2022年，星期一10-7 10-7 气体的输运现象气体的输运现象 三种输运现象：三种输运现象：1.当气体各层流速不均匀时发生的当气体各层流速不均匀时发生的粘滞现象粘滞现象。2.当气体温度不均匀时发生的当气体温度不均匀时发生的热传导现象热传导现象。3.当气体密度不均匀时发生的当气体密度不均匀时发生的扩散现象扩散现象。第72页，共101页，编辑于2022年，星期一10-7-1 粘滞现象 xzu u=u u(z)(z)uou=0zoFF牛顿粘滞定律：牛顿粘滞定律：称为粘滞系数称为粘滞系数结论：结论：粘滞现象的微观本质是分子定向动量的迁移。粘滞现象的微观本质是分子定向动量的迁移。第73页，共101页，编辑于2022年，星期一10-7-2 热传导现象 zT+dTTz0+dzz0傅立叶热传导定律：傅立叶热传导定律：热导率：热导率：热传导现象的微观本质是分子热运动能热传导现象的微观本质是分子热运动能量的定向迁移。量的定向迁移。结论：结论：第74页，共101页，编辑于2022年，星期一10-7-3 扩散现象z0+dzz0z+d菲克扩散定律：菲克扩散定律：扩散系数：扩散系数：气体扩散现象的微观本质是质量的定向迁气体扩散现象的微观本质是质量的定向迁移。移。结论：结论：第75页，共101页，编辑于2022年，星期一10-8 熵与热力学第二定律10-8-1 热力学第二定律的统计意义F第76页，共101页，编辑于2022年，星期一设分子数设分子数 N=4 4微观态：微观态：在在A、B 两室中分子各种两室中分子各种可能的分布状态。可能的分布状态。宏观态：宏观态：对各分子不加区别，仅对各分子不加区别，仅从从 A、B 两室的分子数分布来确两室的分子数分布来确定的状态。定的状态。共有共有5种宏观态，种宏观态，16种微观态种微观态第77页，共101页，编辑于2022年，星期一结论：结论：不同宏观态所包含的微观态数不同宏观态所包含的微观态数目不同。目不同。N第78页，共101页，编辑于2022年，星期一统计基本假设统计基本假设:所有微观状态出现的可能性是相同的。所有微观状态出现的可能性是相同的。4粒子情况，总状态数粒子情况，总状态数16，左左4右右0 和和 左左0右右4，几率各，几率各为为1/16；左；左3右右1和和 左左1右右3，几率各为，几率各为1/4；左左2右右2，几率为几率为3/8。最可能观察到的宏观状态最可能观察到的宏观状态:微观状态数最多的宏观状态。微观状态数最多的宏观状态。第79页，共101页，编辑于2022年，星期一第80页，共101页，编辑于2022年，星期一假设气体总分子数为假设气体总分子数为 N，在某一个宏观态下在某一个宏观态下A 室中有室中有 n 个分子。这一宏观态包含的微观态数目：个分子。这一宏观态包含的微观态数目：两边取对数两边取对数 由斯特林公式由斯特林公式：第81页，共101页，编辑于2022年，星期一对微观态数对微观态数求极值求极值解得解得A、B 两室分子均匀分布时的宏观态所包含的微观态两室分子均匀分布时的宏观态所包含的微观态数目数目最大最大。结论：结论：自由膨胀过程实质上是由包含微观态数目少的自由膨胀过程实质上是由包含微观态数目少的宏观态向包含微观态数目多的宏观态方向进行。宏观态向包含微观态数目多的宏观态方向进行。第82页，共101页，编辑于2022年，星期一不可逆过程的实质：不可逆过程的实质：孤立系统内部发生的一切不孤立系统内部发生的一切不可逆过程总是由包含微观态数目少的宏观态向包可逆过程总是由包含微观态数目少的宏观态向包含微观态数目多的宏观态方向进行。含微观态数目多的宏观态方向进行。一切不可逆过程都是从有序状态向无序状态的方向进行。第83页，共101页，编辑于2022年，星期一两侧粒子数相同时，两侧粒子数相同时，最大，称为平衡态；但不能保证最大，称为平衡态；但不能保证 两侧粒子数总是相同，有些偏离，这叫两侧粒子数总是相同，有些偏离，这叫涨落涨落。N=1023，微观状态数目用微观状态数目用表示，表示，则则N/2Nn（左侧粒子数）（左侧粒子数）n一个定量说明的例子一个定量说明的例子:分子总数为分子总数为N=1023,估算均匀分估算均匀分布微小偏差布微小偏差=10=10-10-10时时的分布数比值的分布数比值.第84页，共101页，编辑于2022年，星期一两侧粒子数相同时，两侧粒子数相同时，最大最大假设一微小偏移量为假设一微小偏移量为,则分布的微观状态数变为则分布的微观状态数变为:利用斯特令公式利用斯特令公式:第85页，共101页，编辑于2022年，星期一另一个数据另一个数据1mol气体气体,分子数为分子数为NA,一个分子在容器左半或右半的状一个分子在容器左半或右半的状态数为态数为2,NA个则为个则为只有一个微观状态对应分子都聚集在左半容器只有一个微观状态对应分子都聚集在左半容器,将这将这拍成照片拍成照片,匀速放映匀速放映.平均要放平均要放 张照片才能碰上分子全聚在左边的那一张张照片才能碰上分子全聚在左边的那一张.假设假设1秒放秒放1亿张亿张,放完以上数量的照片需要放完以上数量的照片需要:宇宙的年龄为宇宙的年龄为:第86页，共101页，编辑于2022年，星期一10-8-2 熵与热力学概率 热力学第二定律表明，一切与热现象有关的实际宏热力学第二定律表明，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，而这种不可逆性并不取决于过观过程都是不可逆的，而这种不可逆性并不取决于过程本身，而是反映了始末两个状态在性质上的差异。程本身，而是反映了始末两个状态在性质上的差异。从统计意义上来认识，这种差异表现为始末两个宏观从统计意义上来认识，这种差异表现为始末两个宏观态所包含的微观态数目不同，并直接决定了过程进行态所包含的微观态数目不同，并直接决定了过程进行的方向。的方向。引入反映热力学系统状态的一个态函数引入反映热力学系统状态的一个态函数熵（熵（）,单位：单位：JK-1 第87页，共101页，编辑于2022年，星期一玻耳兹曼关系式：玻耳兹曼关系式：熵是组成系统的微观粒子的无序性（即混乱度）的量度。当孤立系统处于平衡态时，其熵当孤立系统处于平衡态时，其熵 S 达到最大值达到最大值。设某一热力学系统由设某一热力学系统由n n个子系统组成，子系统的热力学概个子系统组成，子系统的热力学概率分别为率分别为1、2、n第88页，共101页，编辑于2022年，星期一根据概率论的乘法原理，有根据概率论的乘法原理，有 结论：结论：熵具有可叠加性。熵具有可叠加性。第89页，共101页，编辑于2022年，星期一10-8-3 克劳修斯熵 熵增加原理 微观态数少的状态微观态数少的状态(1)不可逆过程：不可逆过程：微观态数多的状态微观态数多的状态(2 2)因为因为1 2 孤立系统孤立系统可逆过程：可逆过程：1=2熵增加原理熵增加原理:孤立系统中发生的一切不可逆过程都将孤立系统中发生的一切不可逆过程都将导致系统熵的增加；而在孤立系统中发生的一切可逆导致系统熵的增加；而在孤立系统中发生的一切可逆过程，系统的熵保持不变过程，系统的熵保持不变。第90页，共101页，编辑于2022年，星期一熵的热力学定义：熵的热力学定义：设一定量的理想气体在温度为设一定量的理想气体在温度为T 下作等温膨胀，体积下作等温膨胀，体积从从V1变化为变化为V2。一个分子在容器中的状态数：一个分子在容器中的状态数：N 个分子在容器中的状态数：个分子在容器中的状态数：第91页，共101页，编辑于2022年，星期一等温膨胀后的熵变：等温膨胀后的熵变：第92页，共101页，编辑于2022年，星期一等温膨胀的吸热为：等温膨胀的吸热为：则则微过程：微过程：Q/T称为热温比 对于任意一个热力学过程对于任意一个热力学过程 不等号表示不可逆过程不等号表示不可逆过程第93页，共101页，编辑于2022年，星期一积分式积分式 注意：注意：熵是一个态函数。熵的变化只取决于初、末两个状态，熵是一个态函数。熵的变化只取决于初、末两个状态，与具体过程无关。与具体过程无关。熵具有可加性。系统的熵等于系统内各部分的熵熵具有可加性。系统的熵等于系统内各部分的熵之和。之和。克劳修斯熵只能用于描述平衡状态，而玻耳兹曼熵则克劳修斯熵只能用于描述平衡状态，而玻耳兹曼熵则可以用以描述非平衡态。可以用以描述非平衡态。第94页，共101页，编辑于2022年，星期一计算中要注意计算中要注意,如果所如果所经过的过程为不可逆过经过的过程为不可逆过程程,那么必须设计一个那么必须设计一个可逆过程来计算熵的变可逆过程来计算熵的变化量化量.否则不能用以上否则不能用以上公式等号部份公式等号部份!第95页，共101页，编辑于2022年，星期一例例13.1kg 0 oC的冰与恒温热库（的冰与恒温热库（t=20 oC）接触，经过）接触，经过一段时间一段时间,冰完全变成水冰完全变成水,冰和水微观状态数目比？（熔冰和水微观状态数目比？（熔解热解热=334J/g,比热容比热容m=4180J/g）最终熵的变化多少？）最终熵的变化多少？解：解：00C冰融化成冰融化成00C水水,设想它和一设想它和一00C的恒温热源接的恒温热源接触进行可逆吸热过程触进行可逆吸热过程,则则:水升温，过程设计成准静态可逆过程，即，与一系列热水升温，过程设计成准静态可逆过程，即，与一系列热库接触库接触第96页，共101页，编辑于2022年，星期一对热库而言，可设计等温放热可逆过程对热库而言，可设计等温放热可逆过程总熵变化总熵变化由玻耳兹由玻耳兹曼熵公式曼熵公式第97页，共101页，编辑于2022年，星期一例例14.1摩尔气体绝热自由膨胀，由摩尔气体绝热自由膨胀，由V1 到到V2，求熵的变化。，求熵的变化。1）由玻耳兹曼熵公式，）由玻耳兹曼熵公式，因因 （R=kNA）2）是否是否？设计一可逆过程来计算设计一可逆过程来计算错错!因为是不可因为是不可逆过程逆过程!第98页，共101页，编辑于2022年，星期一V1V2PVa12b3c4a）等温可逆过程）等温可逆过程b）等压）等压+等容可逆过程等容可逆过程c）绝热）绝热+等压可逆过程等压可逆过程第99页，共101页，编辑于2022年，星期一例例15.1mol 理想气体装在一个容器中，被绝热隔板分成理想气体装在一个容器中，被绝热隔板分成相等的两部分（体积相等，粒子数相等），但温度分别相等的两部分（体积相等，粒子数相等），但温度分别为为 T1 和和 T2，打开绝热隔板，混合，达到平衡态，求熵，打开绝热隔板，混合，达到平衡态，求熵的变化。的变化。解：解：设计一可逆过程，使气体温度达到平衡温度设计一可逆过程，使气体温度达到平衡温度 T，再混合再混合第100页，共101页，编辑于2022年，星期一例例16.你一天大约向周围环境散发你一天大约向周围环境散发8106J热量热量,试估量试估量你一天产生多少熵你一天产生多少熵?忽略你进食时带入体内的熵忽略你进食时带入体内的熵,环境环境温度按温度按273K计算计算.解：解：人体温度为人体温度为T1=309K,一天产生的熵是人和环境一天产生的熵是人和环境 熵的增量熵的增量第101页，共101页，编辑于2022年，星期一