第6章 气体动理论基础优秀课件.ppt
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1、第6章 气体动理论基础第1页,本讲稿共47页6.1 平衡平衡态态 温度温度 理想气体状理想气体状态态方程方程6.2 理想气体理想气体压压强强公式公式6.3 温度的统计解释温度的统计解释6.4 能量均分定理理想气体的内能能量均分定理理想气体的内能6.5 麦克斯韦分子速率分布定律麦克斯韦分子速率分布定律6.7 分子的平均碰撞次数和平均自由程分子的平均碰撞次数和平均自由程主要内容主要内容第2页,本讲稿共47页6.1 平衡平衡态态 温度温度 理想气体状理想气体状态态方程方程一、平衡态一、平衡态外界外界研究研究对对象以外的物体象以外的物体外界系统外界系系统统的的分分类类 (1)孤立系孤立系统统 与外界无
2、能量和物与外界无能量和物质质交交换换 (2)封封闭闭系系统统 与外界有能量但无物与外界有能量但无物质质交交换换 (3)开放系开放系统统 与外界有能量和物与外界有能量和物质质交交换换1.热热力学系力学系统统大量微观粒子大量微观粒子(分子、原子等分子、原子等)组成的宏观物体组成的宏观物体第3页,本讲稿共47页2.热热平衡平衡态态 在不受外界影响的条件下,系统的宏观性质不随时间在不受外界影响的条件下,系统的宏观性质不随时间变化的状态。变化的状态。系统处于平衡态的条件:系统处于平衡态的条件:平衡态是一种热动平衡态平衡态是一种热动平衡态平衡态是一种理想状态平衡态是一种理想状态要注意区分平衡态与稳定态要注
3、意区分平衡态与稳定态系统分为系统分为 平衡态系统和非平衡态系统平衡态系统和非平衡态系统(1)系系统统与外界在宏与外界在宏观观上无能量和物上无能量和物质质的交的交换换(2)系系统统的宏的宏观观性性质质不随不随时间变时间变化化第4页,本讲稿共47页3.热热力学系力学系统统的描述的描述 宏观量宏观量 平衡态下用来描述系统宏观属性的物理量平衡态下用来描述系统宏观属性的物理量 微观量微观量 描述系统内个别微观粒子特征的物理量描述系统内个别微观粒子特征的物理量状态参量状态参量 描述系统热平衡态的相互独立的一组宏观量描述系统热平衡态的相互独立的一组宏观量 如:气体的如:气体的 p、V、T一组状态参量一组状态
4、参量一个平衡态一个平衡态描述对应状态参量之间的函数关系称为状态方程状态参量之间的函数关系称为状态方程(物态方程物态方程)气体的状态参量气体的状态参量体体积积 气体所能达到的最大空气体所能达到的最大空间间(几何几何描述)描述)第5页,本讲稿共47页二、温度二、温度1.温度概念温度概念 温度表征物体冷热程度的宏观状态参量温度表征物体冷热程度的宏观状态参量 温度概念的建立是以热平衡为基础的温度概念的建立是以热平衡为基础的 ABCABC实验表明实验表明若若A与与C热热平衡平衡B也与也与C热热平衡平衡则则A与与B必然必然热热平衡平衡气体气体压压强强P 作用于容器壁上作用于容器壁上单单位面位面积积的正的正
5、压压力(力(力学力学描述)描述)第6页,本讲稿共47页热热力学第零定律力学第零定律 如果两个系如果两个系统统分分别别与第三个系与第三个系统统达到达到热热平衡,那么,平衡,那么,这这两两个系个系统统彼此也彼此也处处于于热热平衡。平衡。(热热平衡定律平衡定律)。定定义义 处处在相互在相互热热平衡状平衡状态态的系的系统统所具有的共同的宏所具有的共同的宏观观性性质质叫温度叫温度 一切处于同一热平衡态的系统具有相同的温度一切处于同一热平衡态的系统具有相同的温度.温温标标温度的数值表示法温度的数值表示法摄氏温标、热力学温标摄氏温标、热力学温标 热热平衡定律平衡定律说说明,明,处处在相互在相互热热平衡状平衡
6、状态态的系的系统统必定必定拥拥有某有某一个共同的宏一个共同的宏观观物理性物理性质质。第7页,本讲稿共47页三、理想气体状态方程三、理想气体状态方程 克拉珀龙方程克拉珀龙方程M为为气体的气体的质质量量Mmol为气体的摩尔质量为气体的摩尔质量R为为普适气体常量,普适气体常量,R=8.31(J/mol-1K-1)平衡平衡态还态还常用状常用状态图态图中的一个点中的一个点来表示来表示 (pV图图、pT图图、VT图图)pV0A(p1,V1,T1)B(p2,V2,T2)理想气体宏观理想气体宏观定义定义:遵守三个实验定律的气体:遵守三个实验定律的气体第8页,本讲稿共47页系统处于平衡态的条件:系统处于平衡态的
7、条件:(1)系系统统与外界在宏与外界在宏观观上无能量和物上无能量和物质质的交的交换换(2)系系统统的宏的宏观观性性质质不随不随时间变时间变化化课程回顾(1)1.热热平衡平衡态态 在不受外界影响的条件下,系统的宏观性质不随时间在不受外界影响的条件下,系统的宏观性质不随时间变化的状态。变化的状态。2.气体的状态参量气体的状态参量气体的气体的 p、V、T一、平衡一、平衡态态 温度温度 理想气体状理想气体状态态方程方程第9页,本讲稿共47页课程回顾(2)4.温度的概念温度的概念 温度表征物体冷热程度的宏观状态参量温度表征物体冷热程度的宏观状态参量 处处在相互在相互热热平衡状平衡状态态的系的系统统所具有
8、的共同的宏所具有的共同的宏观观性性质质叫温度叫温度5.理想气体状态方程理想气体状态方程3.热热力学第零定律力学第零定律 如果两个系如果两个系统统分分别别与第三个系与第三个系统统达到达到热热平衡,那么,平衡,那么,这这两个系两个系统统彼此也彼此也处处于于热热平衡。平衡。(热热平衡定律平衡定律)。第10页,本讲稿共47页6.2 理想气体理想气体压压强强公式公式一、理想气体分子模型和统计假设一、理想气体分子模型和统计假设 (1)无外无外场时场时,气体分子在各,气体分子在各处处出出现现的概率相同。即分子的的概率相同。即分子的密度数密度数n在各在各处处是是均匀一致的均匀一致的。1.理想气体的分子模型理想
9、气体的分子模型 (1)分子可以看作分子可以看作质质点点 (2)除碰撞外,分子力可以略去不除碰撞外,分子力可以略去不计计 (3)分子分子间间的碰撞是完全的碰撞是完全弹弹性的性的理想气体的分子模型是弹性的自由运动的质点理想气体的分子模型是弹性的自由运动的质点2.平衡平衡态时态时,理想气体分子的,理想气体分子的统计统计假假设设 第11页,本讲稿共47页 (3)在平衡在平衡态态下,分子速率在各个方向上的下,分子速率在各个方向上的分量的平方分量的平方的平均的平均值值相等相等 以上结果都是大量分子的统计假设,对于单个分子来以上结果都是大量分子的统计假设,对于单个分子来说是没有意义的。说是没有意义的。(2)
10、由于碰撞,分子可以有各种不同的速度,速度取向由于碰撞,分子可以有各种不同的速度,速度取向在各方向等概率。在各方向等概率。第12页,本讲稿共47页1.一个一个i分子碰撞一次分子碰撞一次给给A1的冲量的冲量0A2A1xymix-mixl1 i分子速度为 ,受的冲量为 器壁受的冲量器壁受的冲量为为 2m ix2.dt时间时间内内i分子分子对对A1的冲量的冲量i分子相继与A1面碰撞的时间间隔dt时间时间内内i分子碰分子碰撞撞A1的次数的次数dt时间时间内内器壁受的冲量器壁受的冲量为为izzxy0ixiyA1A2l3l2l1二、理想气体的压强公式二、理想气体的压强公式 设设平衡平衡态态下,同种气体分子下
11、,同种气体分子质质量量为为m,总总分子数分子数N,体,体积积V。平衡平衡态态下器壁各下器壁各处压处压强强相同,相同,选选A1面求其所受面求其所受压压强强。第13页,本讲稿共47页4.在在单单位位时间时间整个气体整个气体对对器壁的器壁的压压强强A1受的平均冲力受的平均冲力分子的平均平动动能分子的平均平动动能理想气体的压强公式理想气体的压强公式3.dt时间时间内所有内所有N个分子个分子对对A1的的总总冲量冲量第14页,本讲稿共47页理想气体压强的统计意义理想气体压强的统计意义理想气体压强公式是反应大量分子行为的一种统计规律,理想气体压强公式是反应大量分子行为的一种统计规律,并非力学定律,对个别分子
12、而言,气体压强没有意义。并非力学定律,对个别分子而言,气体压强没有意义。气体压强是大量气体分子对器壁无规则剧烈碰撞的平均结果,由微观量的统计平均值 和 决定。宏宏观观量量p与微与微观观量之量之间间的关系的关系 压强是对大量分子的压强是对大量分子的分子数密度分子数密度和分子和分子平均平动动能平均平动动能的统计平均结果。的统计平均结果。理想气体的压强公式理想气体的压强公式第15页,本讲稿共47页一、温度的统计解释一、温度的统计解释k为为玻玻尔尔兹兹曼常量曼常量 6.3 温度的温度的统计统计解解释释理想气体的温度公式理想气体的温度公式表明:温度是分子平均平动动能的量度。表明:温度是分子平均平动动能的
13、量度。温度是气体内部分子热运动剧烈程度的量度,温度越高温度是气体内部分子热运动剧烈程度的量度,温度越高分子热运动就越剧烈。分子热运动就越剧烈。1.温度的微温度的微观观解解释释第16页,本讲稿共47页 气体的温度是大量分子热运动的集体表现,具有统计意义。气体的温度是大量分子热运动的集体表现,具有统计意义。离开大量分子,温度失去意义。离开大量分子,温度失去意义。在同一温度下,各种气体分子平均平在同一温度下,各种气体分子平均平动动动动能均相等能均相等。说说明:明:a、上述概念是建立在、上述概念是建立在经经典物理基典物理基础础上的。按照上述上的。按照上述观观点,当点,当T=0K时时,气体分子,气体分子
14、热热运运动动就就应该应该停息。然而,停息。然而,实际实际上上分子运分子运动动是永不停息的是永不停息的。b、对对气体,在温度气体,在温度还远还远没有达到没有达到T=0K之前,就已之前,就已经变为经变为液液体或固体了,上式已不再适用。体或固体了,上式已不再适用。2.气体分子的方均根速率气体分子的方均根速率 方均根速率和气体的方均根速率和气体的热热力学温度的平方根成正比力学温度的平方根成正比,与,与气体的气体的摩摩尔尔质质量的平方根成反比量的平方根成反比.大量分子的速率平方平均值的平方根,称为大量分子的速率平方平均值的平方根,称为方均根速率。方均根速率。第17页,本讲稿共47页例例 试试求氮气分子的
15、平均平求氮气分子的平均平动动动动能和方均根速率能和方均根速率?设设:1)在温度在温度 t=1000时时;2)在温度在温度t=0时时;2)同理在温度同理在温度t=0 时时解解:1)在温度在温度t=1000 时时第18页,本讲稿共47页 1标准大气压(1atm)=1.103 10 Pa某氧器瓶内,氧气的压强1.00 atm温度27 C视为理想气体,平衡态氧分子的平均平动动能;分子数密度由321.38102327+27332J 6.21 1021由3232321.103 1056.21 1021252.6610个第19页,本讲稿共47页6.4 能量均分定理能量均分定理 理想气体的内能理想气体的内能
16、气体的能量与分子的结构有关,一般地气体分子不能气体的能量与分子的结构有关,一般地气体分子不能看成质点看成质点,分子有平动分子有平动,转动转动,振动振动,因而有相应的动能和势因而有相应的动能和势能。能。一一、自由度自由度 决定一个物体的空决定一个物体的空间间位置所需要的独立坐位置所需要的独立坐标标数数。用用i 表示表示 1.单单原子分子原子分子如:如:He,Ne可看作可看作质质点。点。xyz0He(x,y,z)平平动动自由度自由度 t=3i=t=3第20页,本讲稿共47页xyzC(x,y,z).双原子分子双原子分子如:如:O2,H2,CO 平平动动自由度:自由度:t=3转动转动自由度:自由度:r
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