气体动理论的基本观点.ppt

第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点(Kinetic theory of gases)1第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论 气体动理论指出了热现象的本质是大气体动理论指出了热现象的本质是大量分子的热运动。量分子的热运动。“分子分子”概念是概念是1811年年意大利物理学家意大利物理学家阿伏伽德罗阿伏伽德罗引入的。在引入的。在19 世纪世纪40 年代能量守恒定律被发现后，热年代能量守恒定律被发现后，热是分子运动的观点已经得到普遍承认。是分子运动的观点已经得到普遍承认。2第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点从从50 年代开始，年代开始，克劳修斯克劳修斯、麦克斯韦麦克斯韦、玻玻耳兹曼耳兹曼对分子运动论进行了全面的、系统的研对分子运动论进行了全面的、系统的研究。这些研究深入到物质内部、把热力学和分究。这些研究深入到物质内部、把热力学和分子运动论结合起来，由系统的微观状态预言系子运动论结合起来，由系统的微观状态预言系统热运动的宏观性质。统热运动的宏观性质。他们引进了他们引进了概率概念概率概念、运用统计方法运用统计方法，把，把系统的系统的宏观状态参量描述为系统相应的微观量宏观状态参量描述为系统相应的微观量的统计平均值的统计平均值。概率统计的研究方法不仅在揭。概率统计的研究方法不仅在揭示热现象的本质上起着重要作用，而且在近代示热现象的本质上起着重要作用，而且在近代科学技术中获得了广泛的应用。科学技术中获得了广泛的应用。3第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点v克劳修斯克劳修斯提出了提出了理想气体理想气体理想气体理想气体分子运动模型分子运动模型分子运动模型分子运动模型、引进、引进统计统计统计统计概念概念概念概念推导理想气体压强公推导理想气体压强公式，引进式，引进平均自由程概念平均自由程概念平均自由程概念平均自由程概念解决气体扩散速度的疑难解决气体扩散速度的疑难问题；问题；v 麦克斯韦麦克斯韦于于18591859年发现年发现分子热运动的无规性，并分子热运动的无规性，并在几率概念的基础上用统在几率概念的基础上用统计方法导出了计方法导出了麦克斯韦速麦克斯韦速麦克斯韦速麦克斯韦速率分布律率分布律率分布律率分布律；4第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点v玻耳兹曼玻耳兹曼把麦克斯韦分布推广把麦克斯韦分布推广到重力场，得到粒子按能量到重力场，得到粒子按能量的分布规律的分布规律玻耳兹曼分玻耳兹曼分玻耳兹曼分玻耳兹曼分布律布律布律布律，把它应用到重力场，把它应用到重力场，得出重力场中粒子随高度的得出重力场中粒子随高度的分布，很好地说明了大气密分布，很好地说明了大气密度、压强随高度的变化，至度、压强随高度的变化，至此，气体动理论已能解释当此，气体动理论已能解释当时在气象、化学、物理学领时在气象、化学、物理学领域的研究中所发现的与气体域的研究中所发现的与气体运动有关的种种现象。运动有关的种种现象。玻耳兹曼玻耳兹曼5第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点在克劳修斯、麦克斯在克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼研究的基础韦、玻尔兹曼研究的基础上，上，吉布斯吉布斯提出：提出：“热力热力学的发现基础建立在力学学的发现基础建立在力学的一个分支上的一个分支上”，由此建，由此建立了统计力学。立了统计力学。1902年发表了年发表了统计统计力学的基本理论力学的基本理论，建立，建立了完整的了完整的“系综理论系综理论”。6第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点系综（系综（ensemble）：）：在一定的宏观条件下，在一定的宏观条件下，大量性质和结构完全相同的、处于各种运动大量性质和结构完全相同的、处于各种运动状态的、各自独立的系统的集合。全称为状态的、各自独立的系统的集合。全称为统统计系综计系综。系综是用统计方法描述热力学系统的统系综是用统计方法描述热力学系统的统计规律性时引入的一个基本概念；系综是统计规律性时引入的一个基本概念；系综是统计理论的一种表述方式。计理论的一种表述方式。7第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点14.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点 分子的观点：分子的观点：分子的观点：分子的观点：一切一切一切一切宏观物体宏观物体都是由大量分子或原子组成。都是由大量分子或原子组成。分子运动的观点：分子运动的观点：分子运动的观点：分子运动的观点：分子在永分子在永不停息作无序热运动。不停息作无序热运动。分子力的观点：分子力的观点：分子力的观点：分子力的观点：分子之间存分子之间存在着相互作用力。在着相互作用力。8第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STMSTM）9第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点 分子的观点：分子的观点：分子的观点：分子的观点：宏观物体是由大量微观粒子（分子宏观物体是由大量微观粒子（分子或原子）组成的。或原子）组成的。分子之间存在一定的空隙。分子之间存在一定的空隙。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一、气体动理论的基本观点：一、气体动理论的基本观点：一、气体动理论的基本观点：一、气体动理论的基本观点：10第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点分子运动的观点：分子运动的观点：分子运动的观点：分子运动的观点：物体中的分子处于永不停息的物体中的分子处于永不停息的无规则运动中，其激烈程度与温度有关。无规则运动中，其激烈程度与温度有关。ABC(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：（2）布朗运动）布朗运动11第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点(布布朗朗运运动动)（2）布朗运动是分子热运动的间接证明。）布朗运动是分子热运动的间接证明。分子运动的观点：分子运动的观点：分子运动的观点：分子运动的观点：物体中的分子处于永不停息的物体中的分子处于永不停息的无规则运动中，其激烈程度与温度有关。无规则运动中，其激烈程度与温度有关。例如：例如：12第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点布朗运动与股票布朗运动与股票布朗运动与股票布朗运动与股票 19001900年年年年，法国数学家，法国数学家巴施利埃巴施利埃发表了论文发表了论文投机理论投机理论投机理论投机理论，是一篇研究股市的论文，其中把，是一篇研究股市的论文，其中把股市价格的无规则变动作为布朗运动来处理。他股市价格的无规则变动作为布朗运动来处理。他认为对股价变动来说，我们根据它现在的价格，认为对股价变动来说，我们根据它现在的价格，并不能确切知道它下一时刻的价格，而只知道下并不能确切知道它下一时刻的价格，而只知道下一时刻价格的概率分布。这种一时刻价格的概率分布。这种“股票价格的相对股票价格的相对股票价格的相对股票价格的相对变动是布朗运动变动是布朗运动变动是布朗运动变动是布朗运动”的基本假设，奠定了金融数学的基本假设，奠定了金融数学的基础，巴施利埃的这篇长达的基础，巴施利埃的这篇长达60多页的论文，后多页的论文，后来就成为来就成为金融数学的开创性论文金融数学的开创性论文金融数学的开创性论文金融数学的开创性论文。13第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点 当当 时，分子力主要表现为时，分子力主要表现为斥力斥力；当当 时，分子力主要表现为时，分子力主要表现为引力。引力。分子力分子力 分子力的观点：分子力的观点：分子力的观点：分子力的观点：分子之间存在着相互作用力。分子之间存在着相互作用力。14第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点从上述气体动理论的基本观点出发，研究从上述气体动理论的基本观点出发，研究和说明宏观物体的各种热现象和本质是分子动和说明宏观物体的各种热现象和本质是分子动理论的任务。理论的任务。结论：结论：一切宏观物体都是由大量分子组成的，一切宏观物体都是由大量分子组成的，分子都在永不停息地作无序热运动，分子之间分子都在永不停息地作无序热运动，分子之间有相互作用的分子力。有相互作用的分子力。对于由对于由大量大量分子组成的分子组成的系统系统从从微微观上加以观上加以研究时，必须用研究时，必须用统计统计的方法。的方法。15第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点数量多、间距大、速度快、碰撞频繁。数量多、间距大、速度快、碰撞频繁。气体分子的特点：气体分子的特点：单个分子单个分子 无序、具有偶然性、遵循力学规律。无序、具有偶然性、遵循力学规律。整体整体（大量分子）（大量分子）服从统计规律。服从统计规律。例：例：常温和常压下的氧分子常温和常压下的氧分子平均速率：平均速率：平均自由程：平均自由程：平均碰撞频率：平均碰撞频率：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。二、分子热运动的无序性及统计规律二、分子热运动的无序性及统计规律16第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点特点特点:（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；（3）总是伴随着总是伴随着涨落涨落现象现象。统计规律：统计规律：是指大量偶然事件的整体所遵循的规律。是指大量偶然事件的整体所遵循的规律。它与力学规律有本质的不同。它与力学规律有本质的不同。伽伽尔尔顿板实验顿板实验 例如：例如：抛硬币抛硬币17第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点例：例：抛硬币抛硬币N次，次，NA次正面向上。次正面向上。N不大时，不大时，不确定；不确定；N很大时，很大时，抛硬币的统计规律。抛硬币的统计规律。抛硬币抛硬币每抛一次出现正面向上是偶然的每抛一次出现正面向上是偶然的抛少数次，正面向上的结果有明显偶然性抛少数次，正面向上的结果有明显偶然性抛大量次数，正面向上约占抛大量次数，正面向上约占1/2，呈现规律性，呈现规律性18第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点.小球在伽尔顿小球在伽尔顿板中的分布规律：板中的分布规律：伽伽尔尔顿板实验顿板实验 中央多，两端少中央多，两端少每个每个小球落入哪个小球落入哪个槽是槽是偶然偶然的；的；少量少量小球按狭槽小球按狭槽分布有明显分布有明显偶然偶然性；性；大量大量小球按狭槽分小球按狭槽分布呈现布呈现规律性。规律性。19第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点 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足够大时小球的分布具有规律性。规律性。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 格中格中出现的可能性大小。出现的可能性大小。归一化条件归一化条件.粒子总数粒子总数20第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点气体动理论的研究方法：气体动理论的研究方法：从气体分子从气体分子热运动观点出发，运用统计方法热运动观点出发，运用统计方法（即对微（即对微观量求统计平均值的方法）观量求统计平均值的方法）来研究大量气来研究大量气体分子热运动，从而揭示气体热现象及其体分子热运动，从而揭示气体热现象及其微观本质。微观本质。21第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点A布朗运动就是水分子的运动。布朗运动就是水分子的运动。B布朗颗粒的不规则运动是由于外界影响布朗颗粒的不规则运动是由于外界影响（如振荡、气流、温度等）的结果。（如振荡、气流、温度等）的结果。C布朗运动的无序性间接反映了水分子运布朗运动的无序性间接反映了水分子运动的不规则性。动的不规则性。D布朗运动随液体温度的降低而愈激烈。布朗运动随液体温度的降低而愈激烈。问题问题1、试述气体动理论的基本观点：试述气体动理论的基本观点：(1)(2)(3)问题问题2、关于布朗运动的正确理解是：关于布朗运动的正确理解是：22第第第第1414章章章章 气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论14.214.2 气体动理论的基本观点气体动理论的基本观点 A大量无序运动的气体分子组成的系统在大量无序运动的气体分子组成的系统在总体上所呈现的规律性，称为统计规律性。总体上所呈现的规律性，称为统计规律性。B统计规律对所含分子数极少的系统仍然统计规律对所含分子数极少的系统仍然适用。适用。C统计规律可以由力学方法推导出来。统计规律可以由力学方法推导出来。D对某些量进行统计平均时，分子数越多对某些量进行统计平均时，分子数越多，出现的涨落现象越明显。，出现的涨落现象越明显。问题、问题、对于气体分子热运动服从统计规律的对于气体分子热运动服从统计规律的正确理解是：正确理解是：23