气体固体和液体的基本性质优秀PPT.ppt
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1、气体固体和液体的基本性质你现在浏览的是第一页,共52页热运动热运动的研究方法:的研究方法:1.宏观法宏观法.最基本的实验规律最基本的实验规律逻辑推理逻辑推理(运用数学运用数学)-称为称为热力学热力学(thermodynamics)优点:可靠、普遍。优点:可靠、普遍。缺点:未揭示微观本质。缺点:未揭示微观本质。2.微观法微观法.物质的微观结构物质的微观结构+统计方法统计方法 -称为称为统计物理学统计物理学(statistical physics)其初级理论称为气体分子运动论其初级理论称为气体分子运动论(气体动理论气体动理论)优点:揭示了热现象的微观本质。优点:揭示了热现象的微观本质。缺点:可靠性
2、、普遍性差。缺点:可靠性、普遍性差。热运动热运动(thermal motion)(thermal motion):微观粒子永恒的杂乱无章的运动。微观粒子永恒的杂乱无章的运动。你现在浏览的是第二页,共52页NanjingUniversityofInformationScience&TechnologyNanjingUniversityofInformationScience&Technology第九章第九章 气体、固体和液体的基本性质气体、固体和液体的基本性质 9-1 气体动理论 理想气体模型 9-2 理想气体压强和温度 9-3 理想气体的内能 9-4 麦克斯韦速率分布律*9-5 范德瓦耳斯方程
3、*9-7 固体的性质及晶体结构的一般概念*9-8 晶体中粒子的相互作用*9-9 非晶态固体的结构和应用*9-10 液体和液晶的微观结构 9-6 气体内的输运过程你现在浏览的是第三页,共52页9-1 气体动理论 理想气体模型一、一、气体的分子状况气体的分子状况1、分子具有一定的质量和体积、分子具有一定的质量和体积1mol气体系统的分子数:气体系统的分子数:6.0221023mol-11mol氢气的总质量为:氢气的总质量为:2.010-2kg,每个氢分子的质量则为:每个氢分子的质量则为:3.310-27kg 1mol水的体积为:水的体积为:1810-6m3,每个分子体积约每个分子体积约 3.010
4、-29m3 阿伏伽德罗常数:阿伏伽德罗常数:1 mol 物质所含的分子(或原子)的数目物质所含的分子(或原子)的数目均相同均相同.你现在浏览的是第四页,共52页2、分子处于永不停息的热运动之中、分子处于永不停息的热运动之中分子热运动的一般形式:布朗运动。分子热运动的一般形式:布朗运动。(1)气体、液体、固体的扩散气体、液体、固体的扩散例如:例如:水和墨水的混合水和墨水的混合(2)布朗运动布朗运动(布布朗朗运运动动)相互压紧的金属板相互压紧的金属板你现在浏览的是第五页,共52页3、分子之间以及分子与器壁之间进行着频繁碰撞、分子之间以及分子与器壁之间进行着频繁碰撞 碰撞引起系统中动量的均匀化,同样
5、碰撞还将引起系统中分子能量的均匀化、分子密度的均匀化、分子种类的均匀化等。与此相应,系统表现了一系列宏观性质的均匀化。4、分子之间存在分子力作用、分子之间存在分子力作用 假定分子间的相互作用力有球对称性时,分子间的相互作用(分子力)可近似地表示为 当当 时,分子力主时,分子力主要表现为斥力;当要表现为斥力;当 时,时,分子力主要表现为引力分子力主要表现为引力.分子力分子力分分 子子 力力你现在浏览的是第六页,共52页二、二、理想气体模型理想气体模型 1)分子可视为质点;分子可视为质点;线度线度间距间距 ;2)除碰撞瞬间除碰撞瞬间,分子间无相互作用力;分子间无相互作用力;理想气体的微观模型理想气
6、体的微观模型4)分子的运动遵从经典力学的规律分子的运动遵从经典力学的规律.3)弹性质点(碰撞均为完全弹性碰撞);弹性质点(碰撞均为完全弹性碰撞);你现在浏览的是第七页,共52页三、三、理想气体状态的描述理想气体状态的描述1、气体系统的平衡态 一定量的气体,在不受外界的影响下,经过一定的时间,系统达到一个稳定的,宏观性质不随时间变化的状态称为平衡态.(理想状态)平衡态的特点平衡态的特点1)单一性(单一性(p、T 处处相等)处处相等);2)物态的物态的稳定性稳定性 与时间无关;与时间无关;3)自发过程的终点;自发过程的终点;4)热动平衡(有别于力平衡),是一种理想状态热动平衡(有别于力平衡),是一
7、种理想状态*你现在浏览的是第八页,共52页2、(状)态参量描述系统状态的宏观物理量,称为态参量。温度(T)体积(V)压强(p)作用于容器壁上单位面积的正压力(作用于容器壁上单位面积的正压力(力学力学描述)描述)国际上规定水的三相点温度为国际上规定水的三相点温度为273.16 K单位:单位:气体所能达到的最大空间(气体所能达到的最大空间(几何几何描述)描述).单位:单位:气体冷热程度的量度(气体冷热程度的量度(热学热学描述)描述).单位:温标单位:温标 (开尔文)(开尔文).你现在浏览的是第九页,共52页3、理想气体物态方程 在平衡状态下,系统的V、p、和T 之间存在的关系,称为系统的物态方程。
8、气体的状态方程气体的状态方程理想气体的状态方程理想气体的状态方程(1)理理想气体的宏观定义:在任何条件下都严格遵守克拉想气体的宏观定义:在任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程的气体;珀龙方程的气体;(2)实际气体在压强不太高,温度不太低的条件下实际气体在压强不太高,温度不太低的条件下,可当作,可当作理想气体处理。且温度越高、压强越低,精确度越高理想气体处理。且温度越高、压强越低,精确度越高.说明说明(克拉珀龙方程)(克拉珀龙方程)或者写为或者写为你现在浏览的是第十页,共52页 设设 边长分别为边长分别为 x、y 及及 z 的的长方体中有长方体中有 N 个全个全同的质量为同的质量为 m 的气体分子,
9、计算的气体分子,计算 壁面所受压强壁面所受压强.9-2 理想气体压强和温度理想气体压强和温度一、理想气体的压强公式你现在浏览的是第十一页,共52页2)分子各方向运动概率均等分子各方向运动概率均等分子运动速度分子运动速度热动平衡的统计规律热动平衡的统计规律(平衡态平衡态)1)分子按位置的分布是均匀的分子按位置的分布是均匀的 大量分子对器壁碰撞的总效果大量分子对器壁碰撞的总效果:恒定的、持续的力恒定的、持续的力的作用的作用.单个分子对器壁碰撞特性单个分子对器壁碰撞特性:偶然性偶然性、不连续性、不连续性.你现在浏览的是第十二页,共52页各方向运动各方向运动概概率均等率均等 方向速度平方的平均值方向速
10、度平方的平均值各方向运动概率均等各方向运动概率均等2)分子各方向运动概率均等分子各方向运动概率均等分子运动速度分子运动速度你现在浏览的是第十三页,共52页分子施于器壁的冲量分子施于器壁的冲量单个分子单位时间施于器壁的冲量单个分子单位时间施于器壁的冲量 x方向动量变化方向动量变化两次碰撞间隔时间两次碰撞间隔时间单位时间碰撞次数单位时间碰撞次数 单个单个分子遵循力学规律分子遵循力学规律你现在浏览的是第十四页,共52页 单位时间单位时间 N 个粒子个粒子对器壁总冲量对器壁总冲量 大量大量分子总效应分子总效应 单个分子单位时间单个分子单位时间施于器壁的冲量施于器壁的冲量器壁器壁 所受平均冲力所受平均冲
11、力 你现在浏览的是第十五页,共52页气体压强气体压强统计规律统计规律分子平均平动动能分子平均平动动能器壁器壁 所受平均冲力所受平均冲力 你现在浏览的是第十六页,共52页 统计关系式统计关系式压强的物理压强的物理意义意义宏观可测量量宏观可测量量微观量的统计平均值微观量的统计平均值问问 为何在推导气体压强公式时不考虑分子间的碰撞为何在推导气体压强公式时不考虑分子间的碰撞?分子平均平动动能分子平均平动动能 气体的压强等于大量分子在单位时间内施加在单位面积器壁上的平均冲量。你现在浏览的是第十七页,共52页 二、热力学第零定律 由于人的感觉范围是有限的,依靠触觉去判断物体的温度高低常会出现错误。因此,需
12、要对温度的概念赋予客观的科学的意义。当处于一定平衡态的两个系统A和B相互接触时,它们之间若发生热量的传递,称这两个系统发生了热接触。经过一定时间后,两个系统的状态不再变化并达到一个共同的稳定状态,这时我们就说,这两个系统彼此处于热平衡。你现在浏览的是第十八页,共52页 设有三个系统设有三个系统A、B和和C,使系统使系统A和和B同时与系统同时与系统C发生热接触,而系统发生热接触,而系统A和系统和系统B彼此隔绝。经过一定彼此隔绝。经过一定时间后,系统时间后,系统A与系统与系统C达到了热平衡,同时系统达到了热平衡,同时系统B与系统与系统C也达到了热平衡。这时若使系统也达到了热平衡。这时若使系统A与系
13、统与系统B发生热接触,实验表明,这两个系统的状态都不会发发生热接触,实验表明,这两个系统的状态都不会发生任何变化。这说明系统生任何变化。这说明系统A与系统与系统B已经达到了热平已经达到了热平衡。衡。将上述事实概括为,如果系统A和系统B同时与第三个系统C处于热平衡,则A、B之间也必定处于热平衡。这个规律称为热力学第零定律。温度的宏观意义是决定一个系统是否与其它系统处于热平衡的宏观标志,彼此处于热平衡的所有系统,必定具有相同的温度。你现在浏览的是第十九页,共52页比较比较 p=nkT 和和 由理想气体的状态方程:由理想气体的状态方程:pV=MRT/若分子总数为若分子总数为N,M=Nm ;=NAm
14、则有:则有:pV=NRT/NA 气体分子的平均平动能与系统的温度成正比,温度是气体内部分子热运动强弱程度的标志。三、温度的微观解释定义玻耳兹曼常数定义玻耳兹曼常数:k=R/NA=1.38 10-23J K-1 则则 pV=NkT 或或:p=nkT得平均平动能得平均平动能:你现在浏览的是第二十页,共52页温度温度 T 的物理的物理意义意义 3)在同一温度下,各种气体分子平均平动动能均相等。在同一温度下,各种气体分子平均平动动能均相等。热热运动与运动与宏观宏观运动的运动的区别区别:温度所反映:温度所反映的是分子的无规则运动,它和物体的整体的是分子的无规则运动,它和物体的整体运动无关,物体的整体运动
15、是其中所有分运动无关,物体的整体运动是其中所有分子的一种有规则运动的表现子的一种有规则运动的表现.1)温度是分子平均平动动能的量度温度是分子平均平动动能的量度 (反映热运动的剧烈程度)(反映热运动的剧烈程度).注意注意2)温度是大量分子的集体表现,个别分子无意义温度是大量分子的集体表现,个别分子无意义.你现在浏览的是第二十一页,共52页几点说明:几点说明:1.当气体系统的温度达到绝对零度时,分子平当气体系统的温度达到绝对零度时,分子平均平动动能等于零均平动动能等于零,这一结论是理想气体模型的这一结论是理想气体模型的直接结果。直接结果。2.实际气体只是在温度不太低、压强不太高的实际气体只是在温度
16、不太低、压强不太高的情况下情况下,才接近于理想气体的行为。才接近于理想气体的行为。3.从理论上说,热力学零度只能无限趋近而不可能从理论上说,热力学零度只能无限趋近而不可能完全达到。完全达到。所以所以“当气体的温度达到绝对零度时,分子当气体的温度达到绝对零度时,分子的热运动将会停止的热运动将会停止”的命题是不成立的。的命题是不成立的。你现在浏览的是第二十二页,共52页由平均平动能由平均平动能:可以计算分子的可以计算分子的方均根速率方均根速率由上式可得到在同一温度下,由上式可得到在同一温度下,两种不同气体分子的方均根速两种不同气体分子的方均根速率之比,即:率之比,即:上式表明在相同温度下,质量较大
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