《大学物理下教学课件》大学物理讲座.ppt
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1、热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华大学物理讲座大学物理讲座孙秋华孙秋华 热热 学学热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华教学要求教学要求:1.掌握压强和温度的微观意义。掌握压强和温度的微观意义。2.在微观方面,掌握能量按自由度均分原则,从而导出理想气体的内能公式。在微观方面,掌握能量按自由度均分原则,从而导出理想气体的内能公式。在宏观方面,掌握理想气体的内能只是温度的单值函数。理解真实气体的内在宏观方面,掌握理想气体的内能只是温度的单值函数。理解真实气体的内能是温度和体积的状态函数。能是温度和体积的状态函数。3.掌握气体分
2、子速率的统计分布规律。着重利用分布函数能计算气体分子三掌握气体分子速率的统计分布规律。着重利用分布函数能计算气体分子三种速率及其它的物理量。种速率及其它的物理量。4.掌握内能、功和热量三者的意义。了解做功和传递热量对系统内能的变化掌握内能、功和热量三者的意义。了解做功和传递热量对系统内能的变化是等效的,但其本质是有区别的。内能是状态的函数。而做功和传递热量则是等效的,但其本质是有区别的。内能是状态的函数。而做功和传递热量则与过程有关。与过程有关。5.从普遍的能量转换和守恒定律掌握热力学第一定律及其理想气体各等值过从普遍的能量转换和守恒定律掌握热力学第一定律及其理想气体各等值过程中的应用。会计算
3、循环过程的效率。程中的应用。会计算循环过程的效率。6.理解热力学第二定律时,掌握热力学第二定律的微观实质。理解热力学第二定律时,掌握热力学第二定律的微观实质。热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华一、基本概念一、基本概念1.平衡态和平衡过程平衡态和平衡过程平衡态:若系统与外界无能量交换,则系统的宏观性质平衡态:若系统与外界无能量交换,则系统的宏观性质 不随时间改变,这样的状态称为平衡态。不随时间改变,这样的状态称为平衡态。平衡过程:系统从一个状态不断地变化到另一个状态,平衡过程:系统从一个状态不断地变化到另一个状态,我们称系统经历了一个过程。若其间所经历我们称
4、系统经历了一个过程。若其间所经历 的所有中间状态都无限地接近平衡态,这个的所有中间状态都无限地接近平衡态,这个 过程称为平衡过程。(准静态过程)过程称为平衡过程。(准静态过程)2.2.理想气体的压强和温度理想气体的压强和温度(PV=RT)P=nkT热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华压强:所有分子每秒钟施于单位面积器壁的冲量。压强:所有分子每秒钟施于单位面积器壁的冲量。温度:标志物体内分子无规则运动的剧烈程度。温度:标志物体内分子无规则运动的剧烈程度。3.内能:在一个系统内,所有分子的动能和分子间内能:在一个系统内,所有分子的动能和分子间 相互作用势能的总和
5、称为系统的内能。相互作用势能的总和称为系统的内能。4.4.理想气体的内能:所有分子的动能总和。理想气体的内能:所有分子的动能总和。热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华7.定容摩尔热容量定容摩尔热容量8.定压摩尔热容量定压摩尔热容量9.摩尔热容比摩尔热容比5.平均碰撞频率平均碰撞频率6.平均自由程:平均自由程:10.循环过程:循环过程:热机效率:热机效率:热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华致冷系数:致冷系数:二、基本定律和定理二、基本定律和定理1.麦克斯韦速率分布律:在平衡态下,当气体分子间的相麦克斯韦速率分布律:在平衡态
6、下,当气体分子间的相互作用可以忽略时,分子分布在任一速率区间互作用可以忽略时,分子分布在任一速率区间vv+dv内的内的分子数占总分子数的比率为:分子数占总分子数的比率为:11.熵熵热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华分布函数分布函数三种速率三种速率2.能量均分定理:在温度为能量均分定理:在温度为T 的平衡态下,气体分子每个的平衡态下,气体分子每个自由度的平均动能都相等,其大小等于自由度的平均动能都相等,其大小等于 。热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华气体的种类气体的种类自由度自由度一个分子的平一个分子的平均平动动能均平动
7、动能一个分子的平一个分子的平均转动动能均转动动能一个分子的平一个分子的平均动能均动能单原子单原子33/2kT03/2kT双原子双原子53/2kT2/2kT5/2kT多原子多原子63/2kT3/2kT6/2kT3.热力学第一定律:热力学第一定律:理想气体无摩擦的平衡过程理想气体无摩擦的平衡过程热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华热力学第一定律对理想气体五个过程的应用热力学第一定律对理想气体五个过程的应用0绝热绝热0等温等温等压等压0等容等容备注QAE过程直线直线讨论温度转换点、吸放热转换点讨论温度转换点、吸放热转换点热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨
8、工程大学理学院 孙秋华孙秋华4.热力学第二定律:热力学第二定律:开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量,使之完全变开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量,使之完全变成有用功而不产生其它影响。成有用功而不产生其它影响。克劳修斯表述:热量不可能自动地从低温物体传向高温克劳修斯表述:热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。物体。热力学第二定律的热力学第二定律的统计意义统计意义:一个不受外界影:一个不受外界影响的响的“孤立系统孤立系统”,其内部发生的过程,总是由概,其内部发生的过程,总是由概率小的状态向概率大的状态进行,由包含微观状态率小的状态向概率大的状态进行,由包含微观状态数少的状态向包含微观状态数多
9、的状态进行。数少的状态向包含微观状态数多的状态进行。热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华5.熵增加原理熵增加原理在孤立系统内发生的任意不可逆过程,总导致整个系统在孤立系统内发生的任意不可逆过程,总导致整个系统的熵的增加,系统的总熵只有在可逆过程中才是不变的。的熵的增加,系统的总熵只有在可逆过程中才是不变的。热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华热热学学气体分子动理论气体分子动理论热力学热力学能量均分定理能量均分定理热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律:两种表述热力学第二定律:两种表述热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学
10、院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华三、典型例题三、典型例题 利用气动理论,求相应物理量。利用气动理论,求相应物理量。例例1、一容器内储有氧气,在压强为、一容器内储有氧气,在压强为1.00 105Pa和温度为和温度为27C的条的条件下,试求:件下,试求:1)1m3中有多少个氧气分子;中有多少个氧气分子;2)氧分子的质量;)氧分子的质量;3)分子平均平动动能;)分子平均平动动能;4)分子的平均速率;)分子的平均速率;5)分子平均碰撞频率;)分子平均碰撞频率;6)分子平均自由程。)分子平均自由程。Mmol=32 10-3kg,d=3.56 10-10m热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工
11、程大学理学院 孙秋华孙秋华解:解:已知:已知:双原子双原子p=1.00 105Pa,T=300K求:求:;1)m32)kg3)J热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华4)m/s5)s-1m6)热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华例例2、一定量的理想气体贮于某一容器中,温度为、一定量的理想气体贮于某一容器中,温度为T,气体分子的质,气体分子的质量为量为m根据理想气体分子模型和统计假设,分子速度在根据理想气体分子模型和统计假设,分子速度在x方向的速方向的速度平均值;在度平均值;在x方向的速度平方的平均值。方向的速度平方的平均值。
12、解:解:热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华例例3、一容器内装有、一容器内装有N1个单原子理想气体分子和个单原子理想气体分子和N2个刚性双原子理个刚性双原子理想气体分子,当该系统处在温度为想气体分子,当该系统处在温度为T的平衡态时,其内能为的平衡态时,其内能为 解:解:热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华作业作业93.容积容积V=1 m 3的容器内混有的容器内混有N 1=1.010 25个氢气分子和个氢气分子和N 2=4.010 25个氧气分子个氧气分子,混合气体的温度为混合气体的温度为400K,求:(求:(1)气体分)气
13、体分子的平动动能总和;(子的平动动能总和;(2)混合气体的压强)混合气体的压强.作业作业94在容积为在容积为2.010-3m3的容器中,有内能为的容器中,有内能为6.75102J的刚的刚性双原子分子理想气体。(性双原子分子理想气体。(1)求气体的压强;()求气体的压强;(2)若容器中分)若容器中分子总数为子总数为5.41022个,求分子的平均平动动能及气体的温度。个,求分子的平均平动动能及气体的温度。热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华例例4、N个粒子,其速率分布如图所示(个粒子,其速率分布如图所示(v 5 时粒子数为零)时粒子数为零)(1)试用试用N 与与
14、 表示表示 a 的值的值 (2)试求速率在试求速率在 2 3 间的粒子数间的粒子数 (3)试求粒子的方均根速率试求粒子的方均根速率 Nf(v)ovv02v03v04v05v0a/32a/3a 利用速率分布函数求相应物理量利用速率分布函数求相应物理量热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华解:给出速率分布函数解:给出速率分布函数热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华解:解:(1)利用速率分函数的归一条件利用速率分函数的归一条件(2)速率在速率在2v0 3v0间的粒子数间的粒子数 (3)热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工
15、程大学理学院 孙秋华孙秋华热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华热学讲座热学讲座 哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 孙秋华孙秋华例例5、导体中自由电子的运动可看成类似于气体中分子的运动设、导体中自由电子的运动可看成类似于气体中分子的运动设导体中共有导体中共有N个自由电子,其中电子的最大速率为个自由电子,其中电子的最大速率为vm,电子速率在,电子速率在v v+dv之间的概率为之间的概率为 0v vmv vm式中式中A为常数为常数 (1)用用N,vm定出常数定出常数A;(2)试求导体中试求导体中N个自由电子的平均速率个自由电子的平均速率 热学讲座热学讲座
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