气体动力学课件.ppt
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1、大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院第第二二册册热热 学学魏民云大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院物理学的第物理学的第三三次大综合次大综合 物理学的第三次大综合是从热学开始的,涉及物理学的第三次大综合是从热学开始的,涉及到到宏宏观与观与微微观两个层次观两个层次.宏观理论热力学的两大基本定律宏观理论热力学的两大基本定律:第一定律第一定律,即能量守恒定律即能量守恒定律;第二定律第二定律,即熵增加定律即熵增加定律.科学家进一步追根问底科学家
2、进一步追根问底,企图从分子和原子的微企图从分子和原子的微观层次上来说明物理规律观层次上来说明物理规律,气体分子动理论应运而生气体分子动理论应运而生.玻尔兹曼玻尔兹曼与与吉布斯吉布斯发展了经典统计力学发展了经典统计力学.热力学与统计物理的发展热力学与统计物理的发展,加强了物理学与化加强了物理学与化学的联系学的联系,建立了物理化学这一门交叉科学建立了物理化学这一门交叉科学.大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院 研究对象研究对象 热运动热运动:构成宏观物体的大量微观粒子的永不构成宏观物体的大量微观粒子的永不休止的无规运动
3、休止的无规运动.热现象热现象:与温度有关的物理性质的变化。与温度有关的物理性质的变化。单个单个分子分子 无序、具有偶然性、遵循力学规律无序、具有偶然性、遵循力学规律.研究对象特征研究对象特征整体整体(大量分子)(大量分子)服从统计规律服从统计规律.宏宏观量:观量:表示大量分子集体特征的物理量(可直表示大量分子集体特征的物理量(可直接测量)接测量),如如 等等.微微观量:观量:描述个别分子运动状态的物理量(不可描述个别分子运动状态的物理量(不可直接测量),如分子的直接测量),如分子的 等等.大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城
4、学学 院院宏宏观量观量微微观量观量统计平均统计平均 研究方法研究方法1.热力学热力学 宏宏观观描述描述 实验经验总结,实验经验总结,给出宏观物体热现象的规律,给出宏观物体热现象的规律,从能量观点出发,分析研究物态变化过程中热功转从能量观点出发,分析研究物态变化过程中热功转换的关系和条件换的关系和条件.1)具有可靠性;具有可靠性;2)知其然而不知其所以然;知其然而不知其所以然;3)应用宏观参量应用宏观参量.特点特点大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院2.气体动理论气体动理论 微微观描述观描述 研究大量数目的热运动的粒
5、子系统,应用模研究大量数目的热运动的粒子系统,应用模型假设和统计方法型假设和统计方法.两种方法的关系两种方法的关系气体动理论气体动理论热热力学力学相辅相成相辅相成 1)揭示宏观现象的本质;揭示宏观现象的本质;2)有局限性,与实际有偏差,不可任意推广有局限性,与实际有偏差,不可任意推广.特点特点大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院2.2.微观量微观量热学的基本概念热学的基本概念1.1.宏观量宏观量说明:说明:宏观描述和微观描述是描述同一物理现象的两种方宏观描述和微观描述是描述同一物理现象的两种方法,因此宏观量和微观量
6、间有一定的内在联系。法,因此宏观量和微观量间有一定的内在联系。宏观量总是微观量的统计平均值。宏观量总是微观量的统计平均值。如气体的压力是单位时间内全部气如气体的压力是单位时间内全部气体分子与单位面积器壁发生碰撞所体分子与单位面积器壁发生碰撞所引起的平均冲力。引起的平均冲力。大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院3.3.平衡态平衡态系统从某一平衡态,经历一系列的系统从某一平衡态,经历一系列的平衡态,达到另一平衡态的过程。平衡态,达到另一平衡态的过程。4.4.平衡过程平衡过程在在p p V V 图上,图上,点点表示平衡态
7、;表示平衡态;系统在不受外界影响的条件下,系统在不受外界影响的条件下,各部分的宏观物理量各部分的宏观物理量(p p、V V、T T)不随时间变化的状态。不随时间变化的状态。热学的基本概念热学的基本概念BA A0V VP Pa a(P(P1 1V V1 1T T1 1)b b(P(P2 2V V2 2T T2 2)A AB图图a a图图b b说明:说明:不受外界影响不受外界影响是指热力学系统与是指热力学系统与外界无任何形式的相互作用。外界无任何形式的相互作用。如互不如互不作功作功,互不,互不传热传热等。等。一条一条曲线曲线表示一个平衡过程。表示一个平衡过程。隔能板隔能板大学物理热学大学物理热学
8、第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院5.5.热平衡态热平衡态热学的基本概念热学的基本概念热学中,把所研究的物体或物体系称作热力学系统。热学中,把所研究的物体或物体系称作热力学系统。热力学系统一般由大量的分子和热力学系统一般由大量的分子和原子组成。原子组成。热力学系统以外的物体统称外界。热力学系统以外的物体统称外界。6.6.热力学系统和外界热力学系统和外界A AB被导能板隔开(或直接接触)的被导能板隔开(或直接接触)的两个系统不可能任意地各自达到两个系统不可能任意地各自达到自己的任一平衡态而是最终要达自己的任一平衡态而是最终要达到一个到一个共
9、同的平衡态共同的平衡态。这种平衡。这种平衡态称作热平衡态。态称作热平衡态。导能板导能板大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院气体分子动理论大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院第一章第一章 气体动理论气体动理论1.1 1.1 气体动理论的基本概念气体动理论的基本概念1.2 1.2 理想气体状态方程理想气体状态方程1.3 1.3 理想气体的压强理想气体的压强1.6 1.6 麦克斯韦速率分布律麦克斯韦速率分布律1.7 1.7 玻耳兹曼分布律玻耳
10、兹曼分布律1.5 1.5 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1.8 1.8 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程1.4 1.4 温度的微观意义温度的微观意义大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院第一章第一章 气体动理论气体动理论1.1 1.1 气体动理论的基本概念气体动理论的基本概念1.2 1.2 理想气体状态方程理想气体状态方程1.3 1.3 理想气体的压强理想气体的压强1.6 1.6 麦克斯韦速率分布律麦克斯韦速率分布律1.7 1.7 玻耳兹曼分布律玻耳兹曼分布律1.5 1.5 能量均分定
11、理能量均分定理 理想气体的内能理想气体的内能1.8 1.8 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程1.4 1.4 温度的微观意义温度的微观意义1.1 1.1 气体动理论的基本概念气体动理论的基本概念1.2 1.2 理想气体状态方程理想气体状态方程1.3 1.3 理想气体的压强理想气体的压强大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院1.1 1.1 气体动理学的基本概念气体动理学的基本概念从分子、原子的运动和它们间的相互作用出发,研究热现象从分子、原子的运动和它们间的相互作用出发,研究热现象的规律,构成热现象的微观理论。称
12、作的规律,构成热现象的微观理论。称作 气体动理论气体动理论是是统计物理学统计物理学的一个方面,研究方法不同于力学,的一个方面,研究方法不同于力学,虽然每个分子仍遵循力学规律,但大量分子的整体却遵循着虽然每个分子仍遵循力学规律,但大量分子的整体却遵循着自己独特的自己独特的热运动统计规律热运动统计规律。一、统计物理学一、统计物理学1.1.基本出发点基本出发点(1)(1)一切宏观物体都是由大量分子一切宏观物体都是由大量分子(原子原子)组成。组成。(3)(3)分子与分子之间存在相互作用。分子与分子之间存在相互作用。(2)(2)分子分子(原子原子)做永恒的杂乱无章的热运动。做永恒的杂乱无章的热运动。o
13、or rf fr r 分子间距分子间距f f 分子间相互作用力分子间相互作用力引力引力斥力斥力大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院一、统计物理学一、统计物理学2.2.通常情况下一般气体分子热运动的统计规律通常情况下一般气体分子热运动的统计规律(1)(1)分子数密度分子数密度 n n 约为约为 10101919 个个/cm/cm3 3;(2)(2)分子热运动的平均速率分子热运动的平均速率 约约500m/s 500m/s;(3)(3)分子的平均碰撞频率分子的平均碰撞频率 约为约为10101010 次次/秒秒 。3.3.
14、平衡态时气体分子的空间分布平衡态时气体分子的空间分布分子的位置在容器内空间任何一点的机会均等。所分子的位置在容器内空间任何一点的机会均等。所以,沿空间各方向运动的分子数目相等。以,沿空间各方向运动的分子数目相等。(1)(1)分子按空间位置的分布是均匀的分子按空间位置的分布是均匀的(忽略重力影响忽略重力影响)。分子的速度指向任何方向的机会均等。即分子的速度指向任何方向的机会均等。即(2)(2)分子速度按方向的分布是均匀的。分子速度按方向的分布是均匀的。大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院二、气体动理论的研究对象二、气
15、体动理论的研究对象大量分子原子组成的热力学系统。大量分子原子组成的热力学系统。三、气体动理论的任务三、气体动理论的任务从分子从分子热运动热运动观点出发,采用观点出发,采用统计学统计学的方法,求出的方法,求出大量大量分子分子微观微观物理量的物理量的统计平均值统计平均值,并找出微观量,并找出微观量与宏观物理量的关系。与宏观物理量的关系。四、气体的状态参量四、气体的状态参量(宏观量宏观量)1.1.体积体积V V:2.2.压强压强P P:3.3.温度温度T T:表示物体冷热程度的物理量。表示物体冷热程度的物理量。气体分子所能达到的空间体积气体分子所能达到的空间体积;容器壁单位面积上所受的正压力容器壁单
16、位面积上所受的正压力;压力的实质是大量气体分子与器壁碰撞的宏观表现。压力的实质是大量气体分子与器壁碰撞的宏观表现。温度实质是气体分子无规则热运动剧烈程度的量度。温度实质是气体分子无规则热运动剧烈程度的量度。大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院四、气体的状态参量四、气体的状态参量(宏观量宏观量)3.3.温度温度T T:表示物体冷热程度的物理量。表示物体冷热程度的物理量。(1 1)摄(摄修斯)氏温标)摄(摄修斯)氏温标 表示温度的数值称温标。表示温度的数值称温标。(2 2)热力学温标热力学温标(开(开 尔文尔文 氏温标
17、、绝对温标)氏温标、绝对温标)K K以水的冰点为以水的冰点为00,沸点为,沸点为100100。三相点温度为。三相点温度为0.010.01。水的三相点温度:水的三相点温度:水、冰、水汽共存而达到平衡态时的温度。水、冰、水汽共存而达到平衡态时的温度。水的冰点为水的冰点为273.15K273.15K,三相点温度为,三相点温度为273.16K273.16K。说明说明:(3 3)热力学温标与摄氏温标关系热力学温标与摄氏温标关系T T=273.15 =273.15 t t温标温标:t t=T T 273.15 273.15 大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质
18、大大 学学 长长 城城 学学 院院2.2.理想气体中分子的微观假设理想气体中分子的微观假设一般气体在一般气体在温度(比室温)不太低、压强不太大温度(比室温)不太低、压强不太大的的情况下,情况下,服从三个气体实验规律服从三个气体实验规律(玻意耳、盖玻意耳、盖 吕萨吕萨克、查理定律克、查理定律),可近似看成理想气体。,可近似看成理想气体。分子沿直线自由飞行,分子间的碰撞为完全弹性碰撞分子沿直线自由飞行,分子间的碰撞为完全弹性碰撞,能量和动量均守恒。能量和动量均守恒。分子间距远远大于其线度分子间距远远大于其线度(10(10 倍以上倍以上),可以不考虑,可以不考虑它的形状,将分子假设为球形它的形状,将
19、分子假设为球形(质点质点)。(1)(1)小球小球(质点质点)假设假设分子间无引力、无势能分子间无引力、无势能,除碰撞外无其它相互作用。除碰撞外无其它相互作用。(2)(2)分子力假设分子力假设 (3)(3)弹性假设弹性假设理想气体模型理想气体模型常温、低压下许多实际气体可看作理想气体。常温、低压下许多实际气体可看作理想气体。注注:1.1.理想气体理想气体大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院(2 2)标准状态下)标准状态下,一摩尔物质具有体积一摩尔物质具有体积22.422.4升。升。六、六、标准状态标准状态1atm=1
20、.0131atm=1.013 10105 5 Pa=760mmHg=1.013 barPa=760mmHg=1.013 bar(1)(1)一个标准大气压一个标准大气压1 1巴巴=0.986923=0.986923标准大气压标准大气压式中式中Pa(Pa(帕斯卡帕斯卡)是国际单位制的压强单位;是国际单位制的压强单位;1Pa=1N1Pa=1Nm m 2 2式中式中bar(bar(巴巴)是气象学压强单位;是气象学压强单位;(1)(1)压力为一个标准大气压;压力为一个标准大气压;(2)(2)温度为温度为00(273.15K273.15K)。)。说明说明:(2)(2)摄氏温度摄氏温度t t 与热力学温度与
21、热力学温度T T 之间的关系之间的关系 t=Tt=T 273.15 273.15 或或 T=273.15 T=273.15 t t。大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院(克拉珀龙方程克拉珀龙方程)理想气体状态方程理想气体状态方程一理想气体状态方程一理想气体状态方程(1)(1)式中:式中:R R:普适气体恒量(摩尔气体恒量)普适气体恒量(摩尔气体恒量)M M:气体的摩尔质量(每摩尔物质的质量)。气体的摩尔质量(每摩尔物质的质量)。m m:气体的质量。气体的质量。说明:说明:1.1.方程成立条件:理想气体,平衡态。方程
22、成立条件:理想气体,平衡态。2.2.方程为实验规律。方程为实验规律。大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院 二、几个常量二、几个常量k=Rk=R N NA A=1.38=1.38 1010 2323 J JK K 1 1N NA A=6.02=6.02 101023 23 molmol 1 1氧气氧气(O(O2 2):M M=32=32 1010 3 3;氢气氢气(H(H2 2):M M=2=2 1010 3 3;1.1.摩尔质量摩尔质量M M (每摩尔物质的质量每摩尔物质的质量)氮气氮气(N(N2 2):M M=2
23、8=28 1010 3 3;氩气氩气(ArAr):M M=40=40 1010 3 3。单位:单位:kgkgmolmol 1 13.3.阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数 N NA A1molmol 任何气体所含分子数。任何气体所含分子数。4.4.玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量 K K2.2.摩尔数摩尔数 (常用常用)大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院三、理想气体状态方程三、理想气体状态方程(2)(2)证明:证明:(1 1)(2 2)式中式中表示气体分子数密度。表示气体分子数密度。大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动
24、理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院一、理想气体中分子的微观假设一、理想气体中分子的微观假设分子沿直线自由飞行,分子间的碰撞为完全弹性分子沿直线自由飞行,分子间的碰撞为完全弹性碰撞碰撞,能量和动量均守恒。能量和动量均守恒。分子间距远远大于其线度分子间距远远大于其线度(10(10 倍以上倍以上 ),可以不,可以不考虑它的形状,将分子假考虑它的形状,将分子假设为球形设为球形(质点质点)。(1)(1)小球小球(质点质点)假设假设分子间除碰撞外无其它相互作用,无引力和势能。分子间除碰撞外无其它相互作用,无引力和势能。(2)(2)分子力假设分子力假设 (3)(3)弹性
25、假设弹性假设(4)(4)忽略重力。忽略重力。1.3 1.3 理想气体的压强理想气体的压强(5)(5)分子的运动尊从经典力学规律。分子的运动尊从经典力学规律。大学物理热学大学物理热学 第一章第一章气体动理论气体动理论中中 国国 地地 质质 大大 学学 长长 城城 学学 院院3)每个分子指向任何方向机会是一样的,既分子速度每个分子指向任何方向机会是一样的,既分子速度按方向分布是均匀的,或者说按方向分布是均匀的,或者说各方向运动概率均等。各方向运动概率均等。一、热动平衡的统计规律假设(平衡态一、热动平衡的统计规律假设(平衡态,若忽略重力影若忽略重力影响)响)2)分子按位置的分布是均匀的分子按位置的分
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