第1章气体分子动理论优秀PPT.ppt

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1、第1章气体分子动理论1现在学习的是第1页，共56页一、热学的研究对象和内容一、热学的研究对象和内容 对象：对象：宏宏观观物物体体（大大量量分分子子、原原子子系系统统）或物体系或物体系 热力学系统热力学系统。外界外界系统系统外界外界 内容：内容：与与热现象热现象有关的性质和规律。有关的性质和规律。概概 述述2现在学习的是第2页，共56页二、描述方法二、描述方法1.宏观描述宏观描述 -从整体上描述系统的状态和属性。从整体上描述系统的状态和属性。宏观量宏观量：一般可以直接测量。如一般可以直接测量。如 P、V、T 等等 2.微观描述微观描述 -描述系统内微观粒子的运动状态。描述系统内微观粒子的运动状态

2、。微观量：微观量：一般不能直接测量。如分子的质量一般不能直接测量。如分子的质量 m、速度、速度 v 等等 宏观量是相应的微观量的统计平均值宏观量是相应的微观量的统计平均值 3现在学习的是第3页，共56页1.热力学热力学宏观理论宏观理论从宏观的实验规律出发从宏观的实验规律出发 系统的各种宏观性质系统的各种宏观性质之间的联系之间的联系优点优点：可靠、普遍。：可靠、普遍。缺点缺点：未揭示微观本质：未揭示微观本质2.统计物理统计物理微观理论微观理论（初（初级理论为气体动理论级理论为气体动理论)物质的微观结构物质的微观结构+统计方法统计方法优点优点:揭示热现象的微观本质揭示热现象的微观本质缺点缺点:受模

3、型局限受模型局限,普遍性较差普遍性较差普通物理的任务普通物理的任务:热现象的基础知识热现象的基础知识三、研究热现象的两大分支三、研究热现象的两大分支 宏观法与微观法相辅相成宏观法与微观法相辅相成4现在学习的是第4页，共56页l气气体体动动理理论论：微微观观理理论论，运运用用统统计计方方法法建建立立宏宏观观量量与与相相应应微微观观量量平平均均值值之之间的关系间的关系l热热力力学学：宏宏观观理理论论，从从能能量量观观点点出出发发，研究热现象的宏观规律研究热现象的宏观规律5现在学习的是第5页，共56页第第1 1章章气体动理论6现在学习的是第6页，共56页1-1 分子热运动与统计规律分子热运动与统计规

4、律分子的观点：分子的观点：宏观物质由大量不连续的微观粒子宏观物质由大量不连续的微观粒子(分子或分子或原子原子)组成组成分子运动的观点：分子运动的观点：分子都在不停地作无规则的运动分子都在不停地作无规则的运动一一.气体动理论基本观点气体动理论基本观点分子力的观点：分子力的观点：分子之间有相互作用力分子之间有相互作用力-引力和斥力引力和斥力7现在学习的是第7页，共56页 斥力引力合力 ro：平衡距离平衡距离10-10m d：分子有效直径分子有效直径-此时分子速率此时分子速率减为零减为零-此时合力为零此时合力为零时分子力时分子力可忽略可忽略8现在学习的是第8页，共56页二二.气体分子的特点气体分子的

5、特点小：小：每个分子的直径约为每个分子的直径约为10-10 m多：多：标准状态下每摩尔气体约有标准状态下每摩尔气体约有6 1023个分子个分子快：快：标准状态下的平均速率约为标准状态下的平均速率约为每秒几百米每秒几百米乱：乱：杂乱无章、瞬息万变的运动杂乱无章、瞬息万变的运动9现在学习的是第9页，共56页三三.统计规律统计规律伽尔顿板实验伽尔顿板实验小钉等宽狭槽小球落在哪个槽小球落在哪个槽是偶然事件是偶然事件大量小球一个一个投入大量小球一个一个投入或一次投入，分布情况或一次投入，分布情况大致相同大致相同10现在学习的是第10页，共56页说明：说明：某次测量值与统计平均值之间总有偏离某次测量值与统

6、计平均值之间总有偏离-涨落涨落(起伏起伏)现象现象 构成整体偶然事件数量越大，涨落现象构成整体偶然事件数量越大，涨落现象就越不明显就越不明显F F在一定的条件下，大量的偶然事件存在着一种在一定的条件下，大量的偶然事件存在着一种必然规律性必然规律性-统计规律统计规律1.概率概率F F概率概率:在一定条件下，某偶然事在一定条件下，某偶然事件出现的可能性的大小件出现的可能性的大小11现在学习的是第11页，共56页 简写为简写为设设 N为实验总次数，为实验总次数，NA为事件为事件A出现的次数，则出现的次数，则对对n件事件：件事件：-归一化条件归一化条件任一事件的几率满足任一事件的几率满足12现在学习的

7、是第12页，共56页 2.统计平均值统计平均值F F测量物理量测量物理量M:M1、M2、Mn出现次数分出现次数分别为别为N1、N2、Nn M的算术平均值为的算术平均值为-统计平均值统计平均值F FN足够大：平均值足够大：平均值 真实值真实值13现在学习的是第13页，共56页 一一.平衡态和平衡过程平衡态和平衡过程1-2 理想气体状态方程理想气体状态方程F F平衡态：平衡态：当不受外界影响时，系统的宏当不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间改变的状态观性质不随时间改变的状态绝热器壁F F当两系统都与第三系统热当两系统都与第三系统热平衡，则两系统也平衡平衡，则两系统也平衡-热力学第零定律热力学第零

8、定律-平衡态是理想状态平衡态是理想状态14现在学习的是第14页，共56页l l平平衡衡过过程程：过过程程中中每每一一中中间间状状态态都都可可近近似似看作为平衡态的过程看作为平衡态的过程非常缓慢地压缩非常缓慢地压缩非常缓慢地压缩非常缓慢地压缩b b平衡过程在平衡过程在平衡过程在平衡过程在pVpV图上用一条图上用一条图上用一条图上用一条曲线表示曲线表示曲线表示曲线表示讨论：讨论：a a平衡过程的平衡过程的平衡过程的平衡过程的每一中间状态可用每一中间状态可用每一中间状态可用每一中间状态可用状态量状态量状态量状态量p p、V V、T T 描述描述描述描述c.动态平衡动态平衡 处在平衡态的系统内的大量分

9、子仍在作处在平衡态的系统内的大量分子仍在作热运动，每个分子的速度经常在变，但热运动，每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间改变是系统的宏观量不随时间改变15现在学习的是第15页，共56页1.温度与温标温度与温标处于热平衡的物体应具有由一个共同的物理量所决处于热平衡的物体应具有由一个共同的物理量所决定的宏观性质定的宏观性质温度温度温标温标温度的数值表示法温度的数值表示法华氏温标华氏温标:1714年荷兰华伦海特年荷兰华伦海特,以水结冰的温度为以水结冰的温度为32oF,水沸腾的温度为水沸腾的温度为212oF摄氏温标摄氏温标:1742年瑞典天文学家摄尔修斯以冰的熔点年瑞典天文学家摄尔修斯以冰

10、的熔点定为定为0,水的沸点定为水的沸点定为100热力学温标热力学温标:与工作物质无关的温标与工作物质无关的温标,英国的开尔文建英国的开尔文建立立,单位（单位（K）,也称开氏温标也称开氏温标二二.理想气体的状态方程理想气体的状态方程T=t+273.1516现在学习的是第16页，共56页F F理想气体的理想气体的 p，V，T 满足满足标准状态：标准状态：2 2.理想气体状态方程理想气体状态方程17现在学习的是第17页，共56页-理想气体理想气体状态方程状态方程其中其中-普适气体常数普适气体常数对对Mkg的理想气体的理想气体18现在学习的是第18页，共56页例例1、氧气瓶容积为、氧气瓶容积为3.21

11、0-2m3，其中氧气压力为，其中氧气压力为1.3107Pa。氧气厂规定压力降到。氧气厂规定压力降到106Pa时就要重时就要重新充气。设某实验室每天用新充气。设某实验室每天用1atm的氧气的氧气0.2m3,问在问在温度不变的情况下，一瓶氧气能用多少天温度不变的情况下，一瓶氧气能用多少天?解：解：设使用前后瓶中氧气质量分别为设使用前后瓶中氧气质量分别为m1、m2,每天使用氧气质量为每天使用氧气质量为m319现在学习的是第19页，共56页可用天数可用天数20现在学习的是第20页，共56页例例2 设空气中含有设空气中含有23.6%氧和氧和76.4%氮氮,求在压强求在压强 p=105Pa和温度和温度T=

12、17oC时空气的密度时空气的密度解：解：设空气中氧和氮的质量分别为设空气中氧和氮的质量分别为m1、m2，摩尔质量分别为，摩尔质量分别为 1、2由道尔顿分压定理由道尔顿分压定理空气压强空气压强21现在学习的是第21页，共56页22现在学习的是第22页，共56页一、一、理想气体微观模型的基本假设理想气体微观模型的基本假设 1.关于每个分子性质的假设关于每个分子性质的假设（1）分子当作质点，不占体积；）分子当作质点，不占体积；（因为分子的线度（因为分子的线度分子间的平均距离）分子间的平均距离）（2）分子之间除碰撞的瞬间外，无相互作用力。）分子之间除碰撞的瞬间外，无相互作用力。（忽略重力）（忽略重力）

13、（3）服从牛顿力学规律）服从牛顿力学规律（4）弹性碰撞）弹性碰撞（动能不变）（动能不变）理想气体分子是遵守牛顿力学规律的自由运动的弹性理想气体分子是遵守牛顿力学规律的自由运动的弹性质点质点 1-3 气体动理论的压强公式气体动理论的压强公式23现在学习的是第23页，共56页2、关于分子集体的统计性假设：、关于分子集体的统计性假设：VNdVdNn=dV-体积元（宏观小，微观大）体积元（宏观小，微观大）（3 3）平衡态时分子的速度按方向的分布是）平衡态时分子的速度按方向的分布是 各向均各向均匀的匀的（1）分子的速度各不相同，而且通过碰撞不断变化）分子的速度各不相同，而且通过碰撞不断变化（2）平衡态时

14、）平衡态时分子按位置的分布是均匀的，分子按位置的分布是均匀的，即分子数密度到处一样，不受重力影响；即分子数密度到处一样，不受重力影响；24现在学习的是第24页，共56页结果结果：（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25现在学习的是第25页，共56页26现在学习的是第26页，共56页一个分子与器壁一个分子与器壁A1碰撞碰撞给予给予A1 的冲量为的冲量为一秒内一个分子的多次一秒内一个分子的多次碰撞给予碰撞给予 A1的冲量为的冲量为三三.压强公式压强公式27现在学习的是第27页，共56页 N个分子一秒内给予个分子一秒内给予A1的冲量为的冲量

15、为lA1上的压强上的压强28现在学习的是第28页，共56页 l l定义分子的平均平动动能为定义分子的平均平动动能为则则-理气的压强公式理气的压强公式29现在学习的是第29页，共56页讨论讨论3.3.3.3.压强是表示大量分子在单位时间内施于器壁单位面积压强是表示大量分子在单位时间内施于器壁单位面积压强是表示大量分子在单位时间内施于器壁单位面积压强是表示大量分子在单位时间内施于器壁单位面积上的冲量。这里的压强只是统计概念上的冲量。这里的压强只是统计概念上的冲量。这里的压强只是统计概念上的冲量。这里的压强只是统计概念4.4.4.4.显示了宏观量和微观量的关系显示了宏观量和微观量的关系显示了宏观量和

16、微观量的关系显示了宏观量和微观量的关系1.1.对容器其它面的推算结果相同，对一般形状的容器可对容器其它面的推算结果相同，对一般形状的容器可对容器其它面的推算结果相同，对一般形状的容器可对容器其它面的推算结果相同，对一般形状的容器可证有相同结果证有相同结果证有相同结果证有相同结果2.30现在学习的是第30页，共56页l l设设N为为M kg气体的分子数，气体的分子数，No为为1 mol气气体的分子数，体的分子数，m为一个分子的质量为一个分子的质量1-4 理想气体的温度理想气体的温度公式公式即即31现在学习的是第31页，共56页l l温度的本质：温度的本质：温度是分子平均平动动能的量度温度是分子平

17、均平动动能的量度-玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数又又其中其中32现在学习的是第32页，共56页a.温度温度是气体分子热运动剧烈程度的物理量是气体分子热运动剧烈程度的物理量c.c.两种理想气体两种理想气体,T相同则相同则 相同相同。反之反之 相同相同,则则T相同相同.讨论讨论:b.b.是统计平均值是统计平均值，所以只有气体分子数目很大所以只有气体分子数目很大时时，温度才有意义温度才有意义，对个别分子来说温度没有对个别分子来说温度没有意义意义如如在相同温度的平衡态下在相同温度的平衡态下氧氧气和气和氦氦气分子的气分子的平均平动能平均平动能相同相同现在学习的是第33页，共56页一一.自由度自由度确定一个物体

18、在空间的位置所需的独立坐标的确定一个物体在空间的位置所需的独立坐标的确定一个物体在空间的位置所需的独立坐标的确定一个物体在空间的位置所需的独立坐标的数目数目数目数目。它反映了运动的自由程度它反映了运动的自由程度它反映了运动的自由程度它反映了运动的自由程度火车：火车：被限制在轨道上运动，自由被限制在轨道上运动，自由度为度为1轮船：轮船：在一水平面上运动，自由在一水平面上运动，自由度为度为2飞机：飞机：在空中飞行，自在空中飞行，自由度为由度为3 1.5 能量均分定理能量均分定理34现在学习的是第34页，共56页自由度自由度 i确定物体位置的独立坐标数目确定物体位置的独立坐标数目例例x y z 01

19、、质点、质点 x y z i=3 平动自由度平动自由度2、刚性、刚性细杆细杆3、刚体、刚体位置位置x y z方向方向 i =5 （3 平动平动+2 转动）转动）位置位置 x y z方向方向 自转角度自转角度 i=6（3 平动平动+3 转动）转动）弹性物体弹性物体+振动自由度振动自由度气体分子气体分子单原子单原子双原子双原子 （常温）（常温）多原子多原子 （常温）（常温）高温时分子类似于弹性体高温时分子类似于弹性体 要考虑振动自由度要考虑振动自由度35现在学习的是第35页，共56页气体分子的自由度气体分子的自由度 平动自由度平动自由度 转动自由度转动自由度 总计总计 单原子分子单原子分子 双原子

20、分子双原子分子三原子以上分子三原子以上分子F F常温下常温下可不考虑分子的振动可不考虑分子的振动36现在学习的是第36页，共56页二二.能量按自由度均分原理能量按自由度均分原理-每个平动自由度的动能为每个平动自由度的动能为37现在学习的是第37页，共56页由于任一运动形式的机会均等，有由于任一运动形式的机会均等，有F F气体分子任一自由度的平均动能都等于气体分子任一自由度的平均动能都等于-能量均分定理能量均分定理F F自由度为自由度为 i 的分子，其平均总动能为的分子，其平均总动能为单原子单原子双原子双原子多原子多原子38现在学习的是第38页，共56页三三.理想气体的内能理想气体的内能F F对

21、理想气体，可忽略分子间的相互作用力，对理想气体，可忽略分子间的相互作用力，即可忽略相互作用势能即可忽略相互作用势能分子动能分子动能气体内能气体内能分子间相互作用势能分子间相互作用势能l l1mol理想气理想气体的内能体的内能-理想气体内能是温度的单值函数理想气体内能是温度的单值函数F FMkg理想气体理想气体的内能的内能39现在学习的是第39页，共56页说明说明1、前面的结果是对应温度不太高，只考虑分子的平动、转动，、前面的结果是对应温度不太高，只考虑分子的平动、转动，并且除了碰撞分子间没有其他作用力。并且除了碰撞分子间没有其他作用力。（1）对于个别分子，某一瞬间的总能量可能）对于个别分子，某

22、一瞬间的总能量可能与与差别很大。差别很大。（2）当考虑分子转动、振动的量子效应时，）当考虑分子转动、振动的量子效应时，能量均分的概念不再成立能量均分的概念不再成立。2、高温时，视作弹性体的分子，还要考虑振动的动能和弹、高温时，视作弹性体的分子，还要考虑振动的动能和弹性势能所对应的能量。性势能所对应的能量。3、能量均分定理是按经典的统计规律得出的结果，所以：、能量均分定理是按经典的统计规律得出的结果，所以：40现在学习的是第40页，共56页理想气体系统由氧气组成，压强理想气体系统由氧气组成，压强P=1atm，温度，温度T=27oC。求求（1 1）单位体积内的分子数；（）单位体积内的分子数；（2

23、2）分子）分子的平均平动动能和平均转动动能；（的平均平动动能和平均转动动能；（3 3）单位体）单位体积中的内能积中的内能例题例题解解（1）根据根据（2）（3）41现在学习的是第41页，共56页一一.气体分子气体分子速率分布函数速率分布函数速率分布函数：速率分布函数：速率在速率在v附近单位速率区间内附近单位速率区间内的分子数占总分子数的百分比的分子数占总分子数的百分比-反映分子速率分布反映分子速率分布v附近单位速率附近单位速率区间内的概率大小区间内的概率大小1-6 麦克斯韦速率分布律麦克斯韦速率分布律42现在学习的是第42页，共56页 F F在在0-区间有区间有-归一化条件归一化条件F F在在v

24、1-v2区间区间l l在在v-v+dv区间的分子数占总分子数区间的分子数占总分子数的百分比为的百分比为43现在学习的是第43页，共56页二二.麦克斯韦速率分布定律麦克斯韦速率分布定律-麦克斯韦速率分布函数麦克斯韦速率分布函数1859年年麦克斯韦从理论上导出平衡麦克斯韦从理论上导出平衡状态下气体分子速率分布函数状态下气体分子速率分布函数麦克斯韦速率分布曲线麦克斯韦速率分布曲线44现在学习的是第44页，共56页麦克斯韦速率分布曲线麦克斯韦速率分布曲线f(v)f(vp)vv v+dv1）曲线下的小面积表示速率在）曲线下的小面积表示速率在 区间的分子数占总数的百分比区间的分子数占总数的百分比2）、不同

25、速率区间的分子数占总数）、不同速率区间的分子数占总数的百分比不同的百分比不同,概率不同概率不同3）、曲线下的总面积是一）、曲线下的总面积是一,归一化条件归一化条件45现在学习的是第45页，共56页v1、对于给定气体、对于给定气体f（v）只是只是T 的函数。的函数。T1T2T，速率分布曲线如何变化？，速率分布曲线如何变化？温度升高，温度升高，速率大的分子数增速率大的分子数增多，曲线峰右移，曲线下面积多，曲线峰右移，曲线下面积保持不变，所以峰值下降。保持不变，所以峰值下降。2、速率分布是统计规律，只能说：、速率分布是统计规律，只能说：某一速率区间某一速率区间的分子有的分子有多少；不能说：速率为多少

26、；不能说：速率为某一值某一值的分子有多少。的分子有多少。3、由于分子运动的无规则性，任何速率区间的分子数都在、由于分子运动的无规则性，任何速率区间的分子数都在不断变化，不断变化，dNv 只表示统计平均值。为了使只表示统计平均值。为了使dNv 有意义，有意义，dv必须宏观足够小，微观足够大。必须宏观足够小，微观足够大。注意:T1 T246现在学习的是第46页，共56页三、分子速率的三个统计平均值三、分子速率的三个统计平均值vv p速率为速率为v p 的分子数最多的分子数最多？v p 附近单位速率区附近单位速率区间的分子数最多间的分子数最多！可用求极值的方法求得。可用求极值的方法求得。令令解出解出

27、 vm:一个分子的质量一个分子的质量k=1.38 10-23（SI）Mmol:一摩尔分子的质量一摩尔分子的质量得得1.最概然最概然(可几可几)速率速率v pNA=6.022 1023R=8.31（SI）47现在学习的是第47页，共56页 2.平均速率平均速率48现在学习的是第48页，共56页3.方均根速率方均根速率49现在学习的是第49页，共56页4.三种速率的对比三种速率的对比每个系统均存在每个系统均存在理想气体平衡态有麦氏理想气体平衡态有麦氏速率分布速率分布所以所以50现在学习的是第50页，共56页例例 有有0oC平衡状态下的氧气，计算速率在平衡状态下的氧气，计算速率在300-310m/s

28、区间内氧分子数的百分率区间内氧分子数的百分率解：解：速率区间较小，可用速率区间较小，可用51现在学习的是第51页，共56页52现在学习的是第52页，共56页 一一.概念概念平均碰撞次数：平均碰撞次数：一个分子在单位时间内与一个分子在单位时间内与其他分子碰撞次数的平均值其他分子碰撞次数的平均值平均自由程：平均自由程：一个分子连续两次碰撞所经过一个分子连续两次碰撞所经过路程的平均值路程的平均值 1-7 分子的平均碰撞次数和分子的平均碰撞次数和 平平均自由程均自由程53现在学习的是第53页，共56页二二.计算计算(对同一类分子对同一类分子)分子视为弹性小球分子视为弹性小球，有效直径为有效直径为d，速

29、率为速率为 ，碰碰撞后速率仍为撞后速率仍为 1.考虑一个分子运动，其它分子静止考虑一个分子运动，其它分子静止F F运动分子在运动分子在1秒内与秒内与其它分子的平均碰其它分子的平均碰撞次数为撞次数为54现在学习的是第54页，共56页 2.考虑所有的分子都在运动考虑所有的分子都在运动3.分子的平均自由程分子的平均自由程平均碰撞次数为平均碰撞次数为例例 计算氧气在标准状态下的分子平均碰撞计算氧气在标准状态下的分子平均碰撞次数和平均自由程。设氧气分子的有效直次数和平均自由程。设氧气分子的有效直径为径为2.910-10m55现在学习的是第55页，共56页解：解：标准状态标准状态40亿次亿次第第1章章结束结束56现在学习的是第56页，共56页