物理热学第二章_(热平衡态的统计分布律).ppt
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1、理学院 物理系 陈强第二章 热平衡态的统计分布律1理学院 物理系 陈强2-1 统计规律与分布函数的概念2-2 Maxwell分布律2-3 Maxwell-Boltzmann分布律2-4 能量均分定理与热容 2-5 微观粒子运动状态的一般讨论(简介)第二章 热平衡态的统计分布律2理学院 物理系 陈强引言引言研究目标研究目标:热力学平衡状态下微观粒子运动状态的统计分热力学平衡状态下微观粒子运动状态的统计分布规律布规律一定条件下一定条件下,诸如速度、速率、运动能量等微观,诸如速度、速率、运动能量等微观状态都有一定的状态都有一定的统计规律统计规律统计物理统计物理研究方法研究方法:大量微观粒子大量微观粒
2、子+无规运动无规运动热力学系统热力学系统研究对象研究对象:第二章 热平衡态的统计分布律3理学院 物理系 陈强统计规律统计规律:大量大量个别个别、偶然偶然事件事件集体集体、必然必然规律规律统计物理统计物理:大量粒子系统的物理规律,热现象为主大量粒子系统的物理规律,热现象为主2-1.2-1.统计规律与分布函数的概念统计规律与分布函数的概念一一.统计规律性概念统计规律性概念内容内容:从粒子从粒子微观量微观量用用统计平均方法统计平均方法导出系统导出系统宏观量宏观量.特点特点:单个粒子遵从牛顿力学单个粒子遵从牛顿力学整体行为服从整体行为服从统计规律统计规律(不能不能用牛顿力学解决用牛顿力学解决)第二章
3、热平衡态的统计分布律4理学院 物理系 陈强气体分子热运动模型的图象气体分子热运动模型的图象:相当稀疏相当稀疏,标准状态下标准状态下:线度线度10-10 m;距离距离10-7 m(dV=dxdydz 宏观小、微观大宏观小、微观大)碰撞频繁碰撞频繁,1010 次次/s,碰撞时间碰撞时间10-13 s两次碰撞间经历的路程两次碰撞间经历的路程10-7 m,速率速率500m/s碰撞遵循力学规律碰撞遵循力学规律除分子与分子、分子与器壁相互碰撞的瞬间外,除分子与分子、分子与器壁相互碰撞的瞬间外,气体分子间相互作用的分子力是极其微小的。气体分子间相互作用的分子力是极其微小的。整体行为服从统计规律整体行为服从统
4、计规律第二章 热平衡态的统计分布律5理学院 物理系 陈强 求物理量求物理量M 的统计平均值的统计平均值 状态状态A出现的概率出现的概率 归一化条件归一化条件 Ni 是是M 的的测量值为测量值为 Mi 的次数,实验总次数为的次数,实验总次数为N如如第二章 热平衡态的统计分布律6理学院 物理系 陈强 平衡态下气体分子速度分量的平衡态下气体分子速度分量的统计统计平均值为平均值为气气体体处处于于平平衡衡状状态态时时,气气体体分分子子沿沿各各个个方方向向运运动动的的概率相等,故有概率相等,故有 第二章 热平衡态的统计分布律7理学院 物理系 陈强由于气体处于平衡状态时,气体分子沿各个方向运由于气体处于平衡
5、状态时,气体分子沿各个方向运动的概率相等,故有动的概率相等,故有 平衡态下气体分子速度分量平方的平衡态下气体分子速度分量平方的统计统计平均值为平均值为第二章 热平衡态的统计分布律8理学院 物理系 陈强二二.伽耳顿板实验伽耳顿板实验 若无小钉:若无小钉:必然事件必然事件若有小钉:若有小钉:偶然事件偶然事件一个小球落在哪里有偶然性一个小球落在哪里有偶然性实验现象实验现象少量小球的分布每次不同少量小球的分布每次不同大量小球的分布近似相同大量小球的分布近似相同(1)统计规律是统计规律是大量大量偶然事件的偶然事件的总体总体所遵从的规律。所遵从的规律。(2)统计规律和统计规律和涨落涨落现象是分不开的。现象
6、是分不开的。结论结论第二章 热平衡态的统计分布律9理学院 物理系 陈强三三.随机变量与分布函数随机变量与分布函数 伽尔顿板:小槽编号伽尔顿板:小槽编号i,小球总数,小球总数N,i内小球内小球N、占面积占面积Ai=xihi,则则,C为单位面为单位面/体积内小球体积内小球小球落入小球落入i小槽内的概率为:小槽内的概率为:由此例抽象出表示某事件是否发生的一些量的数值:由此例抽象出表示某事件是否发生的一些量的数值:1.随机变量随机变量随机变量随机变量第二章 热平衡态的统计分布律10理学院 物理系 陈强 如伽尔顿板:如伽尔顿板:小槽编号小槽编号i,只能取自然数,则,只能取自然数,则离散随机变量离散随机变
7、量小槽编号小槽编号i 可连续变化的坐标可连续变化的坐标 x连续随机变量连续随机变量第二章 热平衡态的统计分布律11理学院 物理系 陈强2.概率分布概率分布设离散随机变量设离散随机变量xi中中xi出现的出现的概率概率为为P(xi),则,则离散随机变量的离散随机变量的概率分布:概率分布:归一化条件归一化条件:离散随机变量的平均值:离散随机变量的平均值:连续随机变量的连续随机变量的概率分布概率分布Pi:当当xidx时,时,P dP第二章 热平衡态的统计分布律12理学院 物理系 陈强3.概率分布函数概率分布函数X的概率分布函数:的概率分布函数:概率分布函数也具有归一性:概率分布函数也具有归一性:所以,
8、所以,随机变量随机变量x的的平均值平均值:对任意物理量对任意物理量G=G(x),其平均值其平均值:随机变量随机变量x-x+dx内的数值的内的数值的概率概率(概率密度)(概率密度)第二章 热平衡态的统计分布律13理学院 物理系 陈强例例 微观粒子的速度分布函数微观粒子的速度分布函数:微观粒子的能量分布函数:微观粒子的能量分布函数:表示组成系统的微观粒子中能量处在表示组成系统的微观粒子中能量处在附近单位区间附近单位区间内的粒子数占总粒子数的比例内的粒子数占总粒子数的比例.表示组成系统的微观粒子中速度处在表示组成系统的微观粒子中速度处在 附近单位区间附近单位区间内的粒子数占总粒子数的比例内的粒子数占
9、总粒子数的比例.(概率密度)(概率密度)(概率密度)(概率密度)第二章 热平衡态的统计分布律14理学院 物理系 陈强有有N 个粒子,其速率分布函数为个粒子,其速率分布函数为(1)作速率分布曲线并求常数作速率分布曲线并求常数 a(2)速率大于速率大于v0 和速率小于和速率小于v0 的粒子数的粒子数解解例例求求(1)由归一化条件得由归一化条件得O第二章 热平衡态的统计分布律15理学院 物理系 陈强(2)因因为为速速率率分分布布曲曲线线下下的的面面积积代代表表一一定定速速率率区区间内的分子数与总分子数的比率,所以间内的分子数与总分子数的比率,所以因此,因此,vv0 的分子数为的分子数为(2N/3)同
10、理同理 v T1)m1f(v)vOm2(m1)由于曲线下的面积不变由于曲线下的面积不变,由此由此可见可见(2)不同气体不同气体,不同温度下的不同温度下的速率分布曲线的关系速率分布曲线的关系第二章 热平衡态的统计分布律27理学院 物理系 陈强1.实验装置实验装置2.测量原理测量原理(1)能通过细槽到达检测器能通过细槽到达检测器 D 的分子所满足的条件的分子所满足的条件(2)通过改变角速度通过改变角速度的大小,的大小,选择速率选择速率v 三三.Maxwell速率分布律的实验验证速率分布律的实验验证密勒库士实验:密勒库士实验:与实验曲线相符与实验曲线相符第二章 热平衡态的统计分布律28理学院 物理系
11、 陈强(3)通过细槽的宽度,选择不同的速率区间通过细槽的宽度,选择不同的速率区间(4)沉积在检测器上相应的金属层厚度必定正比相应沉积在检测器上相应的金属层厚度必定正比相应速率下的分子数速率下的分子数 Of(v)第二章 热平衡态的统计分布律29理学院 物理系 陈强四.分子速率的三种统计平均值1.最概然速率最概然速率 与与 的最大值对应的速率的最大值对应的速率2.(算术算术)平均速率平均速率在整个速率区间平均:在整个速率区间平均:3.方均根速率方均根速率就相同的速率间隔而言就相同的速率间隔而言,分子的速率处在分子的速率处在 所在所在间隔里的概率最大,也称间隔里的概率最大,也称最可几速率最可几速率第
12、二章 热平衡态的统计分布律30理学院 物理系 陈强mm f()O 1 2 f()O思考思考:在在M-速率分布下有速率分布下有:即即:f()O第二章 热平衡态的统计分布律31理学院 物理系 陈强一般三种速率用途各不相同一般三种速率用途各不相同 讨论讨论分子的碰撞次数分子的碰撞次数用用说明说明 讨论分子的讨论分子的平均平动动能平均平动动能用用 讨论讨论速率分布速率分布一般用一般用第二章 热平衡态的统计分布律32理学院 物理系 陈强由由M分布律及压强公式可以导出理想气体状分布律及压强公式可以导出理想气体状态方程态方程:第二章 热平衡态的统计分布律33理学院 物理系 陈强氦气的速率分布曲线如图所示氦气
13、的速率分布曲线如图所示.解解例例求求(2)氢气在该温度时的最概然速率和方均根速率氢气在该温度时的最概然速率和方均根速率O(1)试在图上画出同温度下氢气的速率分布曲线试在图上画出同温度下氢气的速率分布曲线的大致情况,的大致情况,(2)第二章 热平衡态的统计分布律34理学院 物理系 陈强根据麦克斯韦速率分布律,试求速率倒数的平根据麦克斯韦速率分布律,试求速率倒数的平均值均值 。根据平均值的定义,速率倒数的平均值为根据平均值的定义,速率倒数的平均值为 解解例例第二章 热平衡态的统计分布律35理学院 物理系 陈强根根据据麦麦克克斯斯韦韦速速率率分分布布率率,试试证证明明速速率率在在最最概概然然速速率率
14、vpvp+v 区区间间内内的的分分子子数数与与温温度度 成成反反比比(设设v 很小很小)将最概然速率代入麦克斯韦速率分布定律中将最概然速率代入麦克斯韦速率分布定律中,有有例例证证第二章 热平衡态的统计分布律36理学院 物理系 陈强分子碰壁数的计算分子碰壁数的计算单位时间作用于单位时间作用于单位面积的分子数单位面积的分子数mxdA对速度在对速度在的分子的分子作如图斜柱体,作如图斜柱体,dt内,作用于内,作用于dA的该组分子数的该组分子数dt内,作用于内,作用于dA的所有分子数的所有分子数积分积分37理学院 物理系 陈强分子碰壁数分子碰壁数实用:镀膜,泻流实用:镀膜,泻流,分离同位素(自学)分离同
15、位素(自学)38理学院 物理系 陈强2-3 Maxwell-2-3 Maxwell-BoltzmannBoltzmann分布律分布律无外力场时,气体内无外力场时,气体内 n、p、T 处处处均匀;处均匀;有外力场时,气体内有外力场时,气体内 n、p 不再均匀分布;不再均匀分布;气体内不同处分子的势能不同。气体内不同处分子的势能不同。一一.重力场中粒子按高度的分布重力场中粒子按高度的分布非均匀的稳定分布非均匀的稳定分布hh+dh平平衡衡态态下下气气体体的的温温度度处处处相同,气体的压强为处相同,气体的压强为第二章 热平衡态的统计分布律39理学院 物理系 陈强比较两式得:比较两式得:等温气压公式等温
16、气压公式是是 h=0 处气体的压强处气体的压强其中:其中:Ohn积分得:积分得:在重力场中,粒子数密度随高度增大而减小,在重力场中,粒子数密度随高度增大而减小,m 越越大,大,n 减小越迅速;减小越迅速;T 越高,越高,n 减小越缓慢。减小越缓慢。第二章 热平衡态的统计分布律40理学院 物理系 陈强实实验验测测得得常常温温下下距距海海平平面面不不太太高高处处,每每升升高高10m,大大气气压压约约降降低低133.3Pa。试试用用恒恒温温气气压压公公式式验验证证此此结结果果(海海平平面面上上大大气气压压按按1.013105 Pa计计,温温度取度取273K)。解解例例等温气压公式等温气压公式将上式两
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