气体动理论基础(一)ppt课件.ppt

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1、气体动理论基础（一）气体动理论基础（一）主讲主讲 刘果红刘果红篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统热学的研究对象：热学的研究对象：与温度有关的物理性质的变化称为与温度有关的物理性质的变化称为热现象热现象热现象是热运动的体现热现象是热运动的体现热学的研究对象热学的研究对象就是热运动的规律以及热运动对物体宏观性质的影响就是热运动的规律以及热运动对物体宏观性质的影响篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统前言前言 气体动理论的研究方法：气体动理论的研究方法：以物

2、质的分子、原子结构和分子热运动概念为基础，运用以物质的分子、原子结构和分子热运动概念为基础，运用统计的方法统计的方法解解释与揭示物质宏观热现象及其有关规律的本质，并确定释与揭示物质宏观热现象及其有关规律的本质，并确定宏观量宏观量与与微观量微观量之之间的关系。间的关系。微观量微观量:用来表征个别分子性质和运动状态的物理量。用来表征个别分子性质和运动状态的物理量。宏观量宏观量:用来表征宏观物体性质和状态的物理量。用来表征宏观物体性质和状态的物理量。m、v、pP、V、T第六章第六章 气体动理论基础气体动理论基础篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是

3、一种得分类型的系统 现介绍一下有关统计方法的一般概念：现介绍一下有关统计方法的一般概念：取汽缸内的气体为研究对象，当其宏观状态一定（、为一定值）时，取汽缸内的气体为研究对象，当其宏观状态一定（、为一定值）时，它还可以处于不同的它还可以处于不同的微观态微观态，如分子所处的位置不同，假定分子是被编入号码的，如分子所处的位置不同，假定分子是被编入号码的，观测系统的某一物理量观测系统的某一物理量v,v的测定值是随着微观态的改变各次是不一样的的测定值是随着微观态的改变各次是不一样的：其中其中 当当 时，叫做出现时，叫做出现 的几率。它作为分子具有的几率。它作为分子具有 可能性的量可能性的量度度,用用 表

4、示。把系统所有可能的几率相加：表示。把系统所有可能的几率相加：，此式称归一化条件。，此式称归一化条件。v气体分子在汽缸内不同位置对应于不同的微观态气体分子在汽缸内不同位置对应于不同的微观态篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统一、理想气体的状态方程一、理想气体的状态方程1、状态参量、状态参量为了描述物体的状态，采用一些表示物体有关特性的物理量。为了描述物体的状态，采用一些表示物体有关特性的物理量。（1）气体的体积）气体的体积V：它是它是气体分子所能达到的空间气体分子所能达到的空间，与气体分子本身体积的总和不同，在国际单，与气

5、体分子本身体积的总和不同，在国际单位制中，用位制中，用 作单位，有时用升作单位，作单位，有时用升作单位，。（2）气体的压强）气体的压强P：(3)气体的温度气体的温度T：物理学中物理学中,常用的温度分度方法有两种常用的温度分度方法有两种:热力学温标热力学温标T-K(SI)；摄氏温标摄氏温标 t-C 它们之间的关系：它们之间的关系：它是气体作用在容器器壁单位面积的正压力它是气体作用在容器器壁单位面积的正压力,是是气体分子对器壁碰撞的宏观气体分子对器壁碰撞的宏观表现表现。在。在SISI单位中，单位中，P P的单位用的单位用PaPa表示表示:，有时用标准大气压：，有时用标准大气压：篮球比赛是根据运动队

6、在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统2、平衡态和平衡过程、平衡态和平衡过程气体的平衡态：气体的平衡态：当表征气体当表征气体(大量分子组成的宏观物体）的一组状态参量大量分子组成的宏观物体）的一组状态参量P、V、T各具有一定的量值时，气体处于平衡态。各具有一定的量值时，气体处于平衡态。气体的平衡态有时也称为热动平衡态气体的平衡态有时也称为热动平衡态 气体从一个状态变化到另一个状态，期间所经历的气体从一个状态变化到另一个状态，期间所经历的过渡方式称状态变化过程过渡方式称状态变化过程。若变化过程所经历的所有中间状态均无限接近平衡态，这个过程称若变化过

7、程所经历的所有中间状态均无限接近平衡态，这个过程称准静态过程准静态过程或平衡过程。或平衡过程。显然，这一过程进行的无限缓慢。显然，这一过程进行的无限缓慢。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统3、理想气体的状态方程、理想气体的状态方程 表征气体状态的状态参量表征气体状态的状态参量P、V、T间存在一定的关系式，这一关系式称间存在一定的关系式，这一关系式称气体的状态方程。气体的状态方程。M气体的总质量气体的总质量M=NmMmol摩尔质量摩尔质量Mmol=N0m,N0=6.02X10R普适气体常量普适气体常量R=8.311802年

8、，年，B0yle等人总结出气体的实验定律，根据实验定律归纳出：等人总结出气体的实验定律，根据实验定律归纳出：（1）我们把在任何情况下都严格遵守（我们把在任何情况下都严格遵守（1）式的气体叫做）式的气体叫做理想气体理想气体。（。（1）式为）式为理理想气体的状态方程。想气体的状态方程。(1)式的使用条件式的使用条件:1）、理想气体）、理想气体；2）、平衡态。）、平衡态。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统 对对(1)(1)式的讨论式的讨论:1 1）由）由(1)(1)式知，对给定气体，当式知，对给定气体，当T T一定时，一定时，

9、P P、V V 的关系在图上是一条的关系在图上是一条等轴双曲线关系等轴双曲线关系,由于由于P P、V V只能取正值只能取正值,所以只有一条曲线所以只有一条曲线,这条曲线称这条曲线称为理想气体的为理想气体的等温线。等温线。（1）VP2 2）PVPV图上任一点代表一个平衡态。图上任一点代表一个平衡态。PVPV图上任意一条曲线代表一个准静态过程图上任意一条曲线代表一个准静态过程PVPV图上任意闭合曲线代表一个循环过程。图上任意闭合曲线代表一个循环过程。P1V13 3）比较图上任两点温度的高低就是比较这两点）比较图上任两点温度的高低就是比较这两点PVPV的乘积。乘积大的那的乘积。乘积大的那一点温度高。

10、一点温度高。T1T2P2V2P P1 1V V1 1PP2 2V V2 2篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统例例1 1：如一定量的理想气体经历了三个等温过程，见下图，那个过：如一定量的理想气体经历了三个等温过程，见下图，那个过程程T T最大？最大？VP答案：答案：篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统二、理想气体的压强公式二、理想气体的压强公式1 1、气体分子热运动的基本特征、气体分子热运动的基本特征 气体分子热运动的基本特征在于气体分子热运动的基本特

11、征在于气体分子之间的碰撞非常频繁气体分子之间的碰撞非常频繁 2 2、理想气体分子模型：、理想气体分子模型：把气体分子看作是自由的、无规则运动着的、无大小、不计重力的弹把气体分子看作是自由的、无规则运动着的、无大小、不计重力的弹性球分子的集合。性球分子的集合。3 3、统计的假设：、统计的假设：分子速度在各方向上的各种平均值相等分子速度在各方向上的各种平均值相等 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统4 4、理想气体的压强公式、理想气体的压强公式xyzA1aa a分子作用在分子作用在A1A1面的冲量：面的冲量：a a分子每与分子

12、每与A1A1面碰撞一次需要的时间为：面碰撞一次需要的时间为：单位时间内单位时间内a a分子与分子与A1A1面碰撞次数：面碰撞次数：a a分子在单位时间内作用在分子在单位时间内作用在A1A1面上的冲量总值为：面上的冲量总值为：分子数密度分子数密度长方形容器中有长方形容器中有N N个同类分子。每个质量为个同类分子。每个质量为m m，速度为，速度为v,v,它们作无规则的热运动。在平衡状态下，器壁各处压强它们作无规则的热运动。在平衡状态下，器壁各处压强完全相同。现考虑完全相同。现考虑A1A1面：面：考虑到容器中有考虑到容器中有N N个分子，则个分子，则A1A1面在单位时间内所到的冲量面在单位时间内所到

13、的冲量：篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统气体分子的平均平动动能气体分子的平均平动动能：（2）（3）宏观量压强具有统计平均的意义宏观量压强具有统计平均的意义，它和平均平动动能的关系是一个统计性的，它和平均平动动能的关系是一个统计性的规律。分子数密度规律。分子数密度n 越大，气体分子的平均平动动能越大，压强越大，气体分子的平均平动动能越大，压强P（气体分子对（气体分子对对器壁碰撞的宏观表现）越大。对器壁碰撞的宏观表现）越大。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类

14、型的系统三、气体分子平均平动动能与温度的关系三、气体分子平均平动动能与温度的关系气体分子数密度气体分子数密度BoltzmannBoltzmann常数常数 所以有所以有：（4）（3）比较（比较（3 3）、（）、（4 4）式，有）式，有（5）（4 4）式表明：在标准状态（）式表明：在标准状态（）下，）下，任何气体的任何气体的分子数密度都相同。分子数密度都相同。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统对（对（5 5）式的讨论）式的讨论（5）1 1）、（）、（5 5）式揭示了）式揭示了气体温度的统计意义气体温度的统计意义：气体温度是气

15、体分子平均平动动能：气体温度是气体分子平均平动动能的量度。温度是气体分子热运动的集体表现，具有统计意义，对个别分子，谈的量度。温度是气体分子热运动的集体表现，具有统计意义，对个别分子，谈温度是无意义的。温度是无意义的。2 2）、）、与气体的种类无关，只与与气体的种类无关，只与T T有关。由（有关。由（5 5）式知，若两种不同种类的气体）式知，若两种不同种类的气体有相同的温度，即是这两种气体的分子平均平动动能相等。若一种气体的温度有相同的温度，即是这两种气体的分子平均平动动能相等。若一种气体的温度高些，也就是这种气体分子的平均平动动能大些。高些，也就是这种气体分子的平均平动动能大些。3 3）、按

16、（）、按（5 5）式，当）式，当T=0KT=0K时，即热力学温度零度将是理想气体分子热运动停止时，即热力学温度零度将是理想气体分子热运动停止时的温度。实际上时的温度。实际上,分子运动是永远不会停息的，因而可推断出，分子运动是永远不会停息的，因而可推断出，热力学温度热力学温度零度是永远也不可能达到的。零度是永远也不可能达到的。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统四、方均根速率四、方均根速率 气体分子的平均平动动能气体分子的平均平动动能分子运动速率平方的统计平均值。分子运动速率平方的统计平均值。方均根速率方均根速率（6）对同一

17、类气体对同一类气体T,T,；在同一温度下，；在同一温度下，M Mmolmol,。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统五、能量按自由度均分原理五、能量按自由度均分原理气体分子各种运动的能量是与气体分子的气体分子各种运动的能量是与气体分子的自由度自由度i i有关的。有关的。1 1、自由度、自由度确定该物体在空间的位置所需要的独立坐标的数目确定该物体在空间的位置所需要的独立坐标的数目1 1）自由质点有三个自由度（）自由质点有三个自由度（x,y,zx,y,z），三个平动自由度），三个平动自由度 2 2）自由刚体有六个自由度。三个平

18、动自由度，三个转动自由度。）自由刚体有六个自由度。三个平动自由度，三个转动自由度。单原子分子单原子分子可视为一质点，有可视为一质点，有3 3个平动自由度个平动自由度；双原子分子双原子分子若原子间的相对位置保持不变，刚性双原子分子的若原子间的相对位置保持不变，刚性双原子分子的自由度为自由度为5 5。三原子或多原子气体分子三原子或多原子气体分子，若把分子看作是自由刚体，共有，若把分子看作是自由刚体，共有6 6个自由度个自由度。xyzxyz转轴与转轴与X X、Y Y、Z Z轴之间的夹角分别为轴之间的夹角分别为篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一

19、种得分类型的系统2 2、能量按自由度均分原理、能量按自由度均分原理理想气体分子的平均平动动能为理想气体分子的平均平动动能为:按统计假设按统计假设 所以所以：因为因为因此因此即：气体分子的平均平动动能即：气体分子的平均平动动能 是均匀地分配在每一个平动自由是均匀地分配在每一个平动自由度上的。度上的。在平衡状态下，由于气体分子无规则运动的结果，可推论，任何一种可能的运在平衡状态下，由于气体分子无规则运动的结果，可推论，任何一种可能的运动都不会比另一种可能的运动占有优势，机会是完全均等的。而且平均说来，无论动都不会比另一种可能的运动占有优势，机会是完全均等的。而且平均说来，无论何种运动相应于每一个可能自由度的平均动能都相等。这一能量分配所遵循的原理何种运动相应于每一个可能自由度的平均动能都相等。这一能量分配所遵循的原理称为称为能量按自由度均分原理。能量按自由度均分原理。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统 若把气体分子视为刚性分子（只有平动和转动），若把气体分子视为刚性分子（只有平动和转动），一个分子的平均总动能一个分子的平均总动能 ：（7）单原子分子：单原子分子：双原子分子：双原子分子：三原子分子或多原子分子：三原子分子或多原子分子：注意：区分气体的动能和气体分子的动能注意：区分气体的动能和气体分子的动能