气体动理论教程.ppt

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1、热学热学（Heat）一、研究对象一、研究对象 热运动热运动:大量分子的无规则的运动大量分子的无规则的运动,它是一种基本运动形式。它是一种基本运动形式。热运动可以与其他运动形式（机械运动、电磁运动热运动可以与其他运动形式（机械运动、电磁运动）有）有 区别又可相互转化。区别又可相互转化。与温度有关的物理性质的变化统称为与温度有关的物理性质的变化统称为热现象热现象。热现象是组成物体的粒子热运动的结果。热现象是组成物体的粒子热运动的结果。微观上看：热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现。微观上看：热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现。热学是研究与热现象有关的规律的科学。热学是研究与热现象有关

2、的规律的科学。宏观法与微观法相辅相成。宏观法与微观法相辅相成。二、热学的研究方法：二、热学的研究方法：A.宏观法宏观法 热力学热力学: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)对系统进行整体描述对系统进行整体描述,热现象的宏观理论。热现象的宏观理论。B.微观法微观法统计力学统计力学:物质的微观结构物质的微观结构+统计方法统计方法 热现象的微观理论。热现象的微观理论。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)揭示了热现象的微观本质。揭示了热现象的微观本质。第三章第三章 气体动理论气体动理论(Kinetic Theory of Gas

3、es)3.1 热力学系统热力学系统 状态状态 理想气体状态方程理想气体状态方程3.2 理想气体的压强和温度理想气体的压强和温度3.3 能均分定理和理想气体内能能均分定理和理想气体内能3.4 麦克斯韦速率分布律麦克斯韦速率分布律3.5 玻尔兹曼分布律玻尔兹曼分布律3.6 实际气体的状态方程实际气体的状态方程3.7 3.7 气体分子平均自由程气体分子平均自由程 系统系统 热力学系统：热力学系统：含有大量原子、分子或其含有大量原子、分子或其它微观粒子，体积有限的宏它微观粒子，体积有限的宏 观物体。热力学研究的对象。观物体。热力学研究的对象。一、热力学系统与外界一、热力学系统与外界3.1 热力学系统热

4、力学系统 状态状态 理想气体状态方程理想气体状态方程 系统分类：系统分类：1.孤立系统：孤立系统：2.封闭系统：封闭系统：3.开放系统：开放系统：外界：外界：热力学系统以外的物体。热力学系统以外的物体。无物质、能量的交换。无物质、能量的交换。有能量交换，无物质交换。有能量交换，无物质交换。既有物质交换又有能量交换。既有物质交换又有能量交换。3.1.1 3.1.1 热力学系统和状态热力学系统和状态二、微观状态与宏观状态二、微观状态与宏观状态2.2.宏观状态：对系统在整体上表现出来的某些性质进行宏观状态：对系统在整体上表现出来的某些性质进行 描述而确定的状态。描述而确定的状态。宏观量：宏观量：表征

5、系统状态和属性的表征系统状态和属性的 物理量。物理量。宏观尺度上的物理量。宏观尺度上的物理量。1.微观状态微观状态：对组成系统的大量微观粒子的运动状态对组成系统的大量微观粒子的运动状态 进行描述而确定的状态。进行描述而确定的状态。微观量微观量：表征系统微观粒子属性的物理量、微观：表征系统微观粒子属性的物理量、微观尺度上的物理量。尺度上的物理量。微观量与宏观量有一定的内在联系。微观量与宏观量有一定的内在联系。分子的质量、直径、位置、速度、动量、动能等。分子的质量、直径、位置、速度、动量、动能等。广延量广延量:质量质量 M M、体积、体积 V V、能量、能量 E E 等；等；强度量：压强强度量：压

6、强 P P、温度、温度 T T 等。等。三、平衡态三、平衡态 平衡态：孤立系统平衡态：孤立系统系统内部没有宏观的粒子和能量流系统内部没有宏观的粒子和能量流 动，其宏观性质不随时间改变。是一种动，其宏观性质不随时间改变。是一种动动 态平衡，态平衡，并伴随并伴随涨落。涨落。非平衡态：非平衡态：当处在平衡态的系统受到外界影响时，当处在平衡态的系统受到外界影响时，内部会出现宏观的粒子流动，此时系统内部会出现宏观的粒子流动，此时系统 处在非平衡态。处在非平衡态。一个孤立的热力学系统，不管它原来处在什么一个孤立的热力学系统，不管它原来处在什么 状态，总会自发地趋向平衡态，并保持这个状状态，总会自发地趋向平

7、衡态，并保持这个状 态不变。态不变。非平衡态非平衡态平衡态平衡态平衡态平衡态动态平衡动态平衡 处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞，处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞，每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间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。这称为动态平衡。改变。这称为动态平衡。箱子假想分成两相同体积箱子假想分成两相同体积的部分，达到平衡时，两的部分，达到平衡时，两侧粒子有的穿越界线，但侧粒子有的穿越界线，但两侧粒子数相同。两侧粒子数相同。粒子数是宏观量粒子数是宏观量 涨落涨落 处在平衡态的系统的宏观量，如压强处在平衡态的系统的宏观量，如压强

8、 P，不随时间改变，不随时间改变，但不能保证任何时刻大量分子撞击器壁的情况完全一样，但不能保证任何时刻大量分子撞击器壁的情况完全一样，这称为涨落现象，分子数越多，涨落就越小。这称为涨落现象，分子数越多，涨落就越小。上例中两侧粒子数不可能上例中两侧粒子数不可能严格相同，这里的偏差也严格相同，这里的偏差也就是涨落。粒子数越少，就是涨落。粒子数越少，涨落越明显。涨落越明显。四、平衡态的状态参量四、平衡态的状态参量1.状态参量：状态参量：描述系统宏观性质（热学、力学、化描述系统宏观性质（热学、力学、化 学、电磁等）的宏观量。学、电磁等）的宏观量。2.气体的状态参量：气体的状态参量：体积体积 V 压强压

9、强 pSI 单位：单位：Pa(N/m2)1 atm=1.01325105 Pa=76 cmHg 温度温度T反映物质分子运动的剧烈程度。反映物质分子运动的剧烈程度。几何描述几何描述 力学描述力学描述 热力学描述热力学描述SI 单位：单位：m31 l=10-3 m3一、热平衡一、热平衡AB绝热板绝热板A、B两两体体系系互互不不影影响响，各各自自达到平衡态。达到平衡态。AB导热板导热板两两体体系系的的平平衡衡态态有有联联系系，达达到到共共同同的的热热平平衡状态衡状态 (热平衡热平衡)。二、热力学第零定律二、热力学第零定律ACB绝热板绝热板导热板导热板设设设设 A A 和和和和 C C、B B 和和和

10、和 C C 分别热平分别热平分别热平分别热平衡，则衡，则衡，则衡，则 A A 和和和和 B B 一定热平衡。一定热平衡。一定热平衡。一定热平衡。互为热平衡的热力学体系，必定具有一个共同的宏观物互为热平衡的热力学体系，必定具有一个共同的宏观物 理性质和相同的宏观参量理性质和相同的宏观参量 温度。温度。温度测量的理论和实验根据温度测量的理论和实验根据。温度是系统状态的一个态函数温度是系统状态的一个态函数 状态方程状态方程。3.1.2 3.1.2 温度温度 热力学第零定律热力学第零定律三、三、温温 度度决定一个系统是否与其它系统达到热平衡的宏观性质。决定一个系统是否与其它系统达到热平衡的宏观性质。处

11、于热平衡的多个系统具有相同的温度处于热平衡的多个系统具有相同的温度 具有相同温度的几个系统放在一起必然处于热平衡。具有相同温度的几个系统放在一起必然处于热平衡。温度测量温度测量ABA 和和 B 热平衡，热平衡，TA=TB酒精或水银酒精或水银热胀冷缩特性，标准热胀冷缩特性，标准状态下，冰水混合，状态下，冰水混合，B 上留一刻痕，上留一刻痕，水沸水沸腾，又一刻痕，之间腾，又一刻痕，之间百等分，就是百等分，就是摄氏温摄氏温标（标（Co）。）。四、四、温温 标标温度的数值表示法称为温度的数值表示法称为温标温标。1.理想气体温标理想气体温标(T):):测温物质：理想气体测温物质：理想气体 玻意耳定律：玻

12、意耳定律：（温度不变）（温度不变）水的三相点温度水的三相点温度 参考点：参考点：单位：开单位：开尔文尔文(K)2.热力学温标：热力学温标：与任何物质特性无关，在理想气体温与任何物质特性无关，在理想气体温标范围内，与理想气体温标等价。标范围内，与理想气体温标等价。3.摄氏温标摄氏温标(t)单位：摄氏度单位：摄氏度()五、热力学第三定律五、热力学第三定律热力学零度是不能达到的。热力学零度是不能达到的。热力学零度是不能达到的。热力学零度是不能达到的。4.华氏温标华氏温标(tF)3.1.3 3.1.3 理想气体状态方程理想气体状态方程理想气体在任一平衡态下各宏观量之间的关系称理想气体在任一平衡态下各宏

13、观量之间的关系称为为理想气体状态方程理想气体状态方程。R为普适气体常数为普适气体常数M表示气体摩尔质量表示气体摩尔质量有些文献中用有些文献中用表示表示若写成若写成 令令玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数理想气体状态方程理想气体状态方程阿伏伽德罗常量阿伏伽德罗常量n：气体分子数密度气体分子数密度例例:一容器内装有气体，温度为一容器内装有气体，温度为 27 oC，问：，问：(1)压压强强为为1.013 105 Pa时时，在在 1 m3 中中有有多多少少个个分分子子；(2)在在高高真真空空时时，压压强强为为 1.33 10-5 Pa，在在 1 m3 中中有有多多 少个分子少个分子?按公式按公式 p=nkT 可知可知解：解：气体动理论气体动理论气体动理论气体动理论例例.某理想气体在温度某理想气体在温度为27oC和和压强为1.0 10-2 atm情情况下况下,密度密度为11.3 g/m3。求。求该气体的摩气体的摩尔质量量M。解解:利用理想气体状利用理想气体状态方程方程:代入数代入数值,注意注意单位位,得得