第08章-气体动理论.pptx

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1、12.气体的压强气体的压强P：压强是气体作用在容器壁单位面积上的指向器壁的平均正压强是气体作用在容器壁单位面积上的指向器壁的平均正压力，是气体分子对器壁碰撞的宏观表现。压力，是气体分子对器壁碰撞的宏观表现。注意：气体压强单位的关系是注意：气体压强单位的关系是1Pa=1N/m1Pa=1N/m2 2;1atm=101325Pa;1atm=101325Pa。3.气体的温度气体的温度T：从宏观上来讲，温度表示物体的冷热程度；从微观上讲，从宏观上来讲，温度表示物体的冷热程度；从微观上讲，温度反映物质内部分子运动的剧烈程度。温度反映物质内部分子运动的剧烈程度。（1 1）若忽略分子本身的大小时，储存气体的容

2、器的容积即为）若忽略分子本身的大小时，储存气体的容器的容积即为气体的体积。气体的体积。（2 2）它与气体分子本身体积的总和完全不同；）它与气体分子本身体积的总和完全不同；（3 3）气体体积的单位是）气体体积的单位是m m3 3;注意：注意：第1页/共48页2由实验可知，由实验可知，热现象是物质中大热现象是物质中大量分子无规则运动量分子无规则运动的集体表现，人们的集体表现，人们把大量分子的无规把大量分子的无规则运动叫做分子热则运动叫做分子热运动，即所谓的布运动，即所谓的布朗运动。朗运动。分子热运动的基本特征分子热运动的基本特征分子热运动的基本特征是分子的永恒运动和频繁相互碰撞。分子热运动的基本特

3、征是分子的永恒运动和频繁相互碰撞。二、分子布朗运动二、分子布朗运动第2页/共48页31.在标准状态下，同一物质：在标准状态下，同一物质：气体气体 0.001 液体液体;d 气体气体 10 d液体液体。所以把气体看作是彼此相距很大间隔的分子集合。所以把气体看作是彼此相距很大间隔的分子集合。2.在气体中在气体中,由于分子的分布相当稀疏由于分子的分布相当稀疏,分子与分子间分子与分子间的相互作用力的相互作用力,除了在碰撞的瞬间外除了在碰撞的瞬间外,极其微小。极其微小。3.分子碰撞的瞬间大约是分子碰撞的瞬间大约是10-12 秒秒,两次碰撞之间的平两次碰撞之间的平均时间约为均时间约为10-10秒。因此秒。

4、因此,在分子的连续两次碰撞之在分子的连续两次碰撞之间间,分子的运动可看作由其惯性支配的自由运动。分子的运动可看作由其惯性支配的自由运动。气体分子运动的一般特征：气体分子运动的一般特征：第3页/共48页三、关于每个分子的力学性质的假设三、关于每个分子的力学性质的假设理想气体的微观模型理想气体的微观模型(1)气体分子的大小与气体分子间的距离相比较气体分子的大小与气体分子间的距离相比较,可可以忽略不计。以忽略不计。(2)因为气体分子间的平均距离相当大因为气体分子间的平均距离相当大,所以除碰撞的所以除碰撞的瞬间外瞬间外,分子间及分子与器壁间无相互作用分子间及分子与器壁间无相互作用.注意注意:这个假设体

5、现了气态的特性。这个假设体现了气态的特性。注意注意:除非研究气体分子在重力场中的分布情况除非研究气体分子在重力场中的分布情况,否则否则,因分子的平均动能远大于重力场中的势能因分子的平均动能远大于重力场中的势能,所以这时分子所受所以这时分子所受重力可忽略重力可忽略。第4页/共48页5(4)气体分子的运动服从经典力学规律。气体分子的运动服从经典力学规律。总之总之,气体被看作是极小、彼此间无相互作用、遵从气体被看作是极小、彼此间无相互作用、遵从牛顿定律的弹性质点。牛顿定律的弹性质点。(3)分子之间的碰撞以及分子与器壁的碰撞都是弹性分子之间的碰撞以及分子与器壁的碰撞都是弹性的，即在碰撞前后气体分子的动

6、量守恒的，即在碰撞前后气体分子的动量守恒,动能守恒。动能守恒。注意注意:这个假设的实质是这个假设的实质是,在一般条件下在一般条件下,对所有气体对所有气体分子分子,经典描述有效经典描述有效,不必采用量子论。不必采用量子论。第5页/共48页6四、关于分子集体的统计性假设四、关于分子集体的统计性假设统计规律统计规律 尽管个别分子的运动是杂乱无章的，但就大量分子的集体尽管个别分子的运动是杂乱无章的，但就大量分子的集体来看，却又存在着一定的统计规律。来看，却又存在着一定的统计规律。(3)分子沿各个方向运动的机会是均等的，没有任何一个方向上气分子沿各个方向运动的机会是均等的，没有任何一个方向上气体分子的运

7、动比其它方向更占优势。即沿着各个方向运动的平均体分子的运动比其它方向更占优势。即沿着各个方向运动的平均分子数应该相等。分子数应该相等。分子速度在各个方向的分量的各种平均值相等。分子速度在各个方向的分量的各种平均值相等。(1)每个分子运动速度各不相同，而且通过碰撞不断变化。每个分子运动速度各不相同，而且通过碰撞不断变化。(2)在热力学平衡状态下，气体分子的空间密度是均匀的。在热力学平衡状态下，气体分子的空间密度是均匀的。第6页/共48页注意注意：后两条假设是一种统计性假设，只适用于大量分子后两条假设是一种统计性假设，只适用于大量分子的集体。的集体。第7页/共48页8五、气体动理论的统计方法五、气

8、体动理论的统计方法对个别分子（或原子）运用牛顿定律求出其微观量，如质对个别分子（或原子）运用牛顿定律求出其微观量，如质量、速度、能量等，再用统计的方法，求出大量分子关于微观量、速度、能量等，再用统计的方法，求出大量分子关于微观量的统计平均值，并用来解释在实验中直接观测到的物体的宏量的统计平均值，并用来解释在实验中直接观测到的物体的宏观性质，如温度、压强、热容等。观性质，如温度、压强、热容等。六、理想气体的压强公式的推导六、理想气体的压强公式的推导（3）应用统计假设应用统计假设,求器壁所受的平均正压力。求器壁所受的平均正压力。思路：思路：（1）用牛顿定律先求一个分子对器壁的压力）用牛顿定律先求一

9、个分子对器壁的压力;（2）全体分子作用于器壁的压力）全体分子作用于器壁的压力;第8页/共48页9六、理想气体的压强公式的推导六、理想气体的压强公式的推导把所有分子按速度区间分为若干组，在每一组内的分子速度把所有分子按速度区间分为若干组，在每一组内的分子速度大小方向都差不多相同。大小方向都差不多相同。设第 i组分子的速度区间为：以 ni 表示第 i 组分子的分子数密度总的分子数密度为：设器壁上面积元设器壁上面积元dA 法向为法向为 x 轴轴dAxvi dtvix dt一定质量的处于平衡态的某种理想气体，被封闭在体积为一定质量的处于平衡态的某种理想气体，被封闭在体积为V的任意形状的容器中。的任意形

10、状的容器中。任意一任意一 个分子速度：个分子速度：第9页/共48页10该分子碰撞器壁一次所受的冲量：该分子碰撞器壁一次所受的冲量：由牛顿第三定律知，器壁受分子碰撞一次所受的冲量：由牛顿第三定律知，器壁受分子碰撞一次所受的冲量：在在 dt 时间内与时间内与dA碰撞的分子数（即斜柱体内的分子）：碰撞的分子数（即斜柱体内的分子）：ni vix dt dA这些分子在这些分子在 dt 时间内对时间内对 dA 的总冲量为：的总冲量为：dAxvi dtvix dt所有分子在所有分子在 dt 时间内对时间内对 dA 的总冲量为：的总冲量为：第10页/共48页11由分子统计假设由分子统计假设分子平均平动动能：分

11、子平均平动动能：理想气体的压强公式：理想气体的压强公式：气体对器壁的宏观压强为：气体对器壁的宏观压强为：第11页/共48页12（4 4）理想气体的压强公式揭示了宏观量压强）理想气体的压强公式揭示了宏观量压强P P的微观实质。的微观实质。8.2温度的微观意义温度的微观意义 根据理想气体的压强公式和状态方程，可以导出气体的根据理想气体的压强公式和状态方程，可以导出气体的温度与分子的平均平动动能之间的关系，从而揭示宏观量温温度与分子的平均平动动能之间的关系，从而揭示宏观量温度的微观本质。度的微观本质。1.温度的本质和统计意义温度的本质和统计意义:注意：注意：（1 1）气体的压强大小取决于单位体积内的

12、分子数和分子的平）气体的压强大小取决于单位体积内的分子数和分子的平均平动动能。均平动动能。（2 2）气体压强不仅作用在器壁上，也作用在气体内部，当气）气体压强不仅作用在器壁上，也作用在气体内部，当气体处于平衡态时，气体内部及气体作用在器壁上的压强处处相体处于平衡态时，气体内部及气体作用在器壁上的压强处处相等。等。（3 3）p p、n n、t t都是统计平均量，它们三者的关系是个统计规都是统计平均量，它们三者的关系是个统计规律而不是力学规律。律而不是力学规律。第12页/共48页13气体的温度是气体分子平均平动动能的量度；气体的温度是气体分子平均平动动能的量度；反映了物体内部分子无规则运动的激烈程

13、度。反映了物体内部分子无规则运动的激烈程度。kRNA1.3810-23 J/K 称玻耳兹曼常量称玻耳兹曼常量温度的微观意义：温度的微观意义：注意：注意：（1 1）温度是描述热力学系统平衡态的一个物理量。）温度是描述热力学系统平衡态的一个物理量。“动态平衡动态平衡”（2 2）温度是大量气体分子热运动的集体表现，具有统计的意义，）温度是大量气体分子热运动的集体表现，具有统计的意义，对于个别分子并无意义。对于个别分子并无意义。（3 3）当两种气体有相同的温度时，意味着两种气体分子的平均）当两种气体有相同的温度时，意味着两种气体分子的平均平动动能相等。平动动能相等。（4 4）温度反映的是）温度反映的是

14、无规则的运动无规则的运动，和物体的整体的有规则的运，和物体的整体的有规则的运动无关。动无关。第13页/共48页14（5 5）按照上式）按照上式,热力学温度零度将是理想气体分子热运动停止热力学温度零度将是理想气体分子热运动停止时的温度时的温度,然而实际上分子运动是永远不会停息的。热力学温然而实际上分子运动是永远不会停息的。热力学温度零度也是永远不可能达到的度零度也是永远不可能达到的。近代理论指出近代理论指出,即使在热力学即使在热力学温度零度时温度零度时,组成固体点阵的粒子也还保持着某种振动的能量组成固体点阵的粒子也还保持着某种振动的能量,叫做零点能量。叫做零点能量。2.气体分子的方均根速率气体分

15、子的方均根速率vrms:由上式可见由上式可见,在相同温度时在相同温度时,虽然各种分子的平均平动动能虽然各种分子的平均平动动能相等相等,但它们的方均根速率并不相等。但它们的方均根速率并不相等。注意注意:第14页/共48页例例:求求0oC时氢分子和氧分子的平均平动动能和方均根速率。时氢分子和氧分子的平均平动动能和方均根速率。解解:第15页/共48页16 1.一定质量的气体,当温度不变时,压强随体积减小而增大;当体积不变时,压强随 温度升高而增大，从宏观上说,这两种变化都使压强增大;从微观上说,它们是否有区别?2.两种不同种类的理想气体,压强相同,温度相同,体积不同,试问单位体积内的分子数是否相同?

16、3.两瓶不同种类的气体两瓶不同种类的气体,分子平均平动动能相同分子平均平动动能相同,但气体的分但气体的分子数密度不同子数密度不同,试问他们的压强是否相同试问他们的压强是否相同?4.两瓶不同种类的气体两瓶不同种类的气体,体积不同体积不同,但温度和压强相同但温度和压强相同,问气体问气体分子的平均平动动能是否相同分子的平均平动动能是否相同?单位体积中的分子的总平动单位体积中的分子的总平动动能是否相同动能是否相同?问题：问题：（答案：前者是由于分子碰撞次数增加导致（答案：前者是由于分子碰撞次数增加导致,后者是由于运动加后者是由于运动加剧导致）剧导致）（答案（答案:相同）相同）（答案（答案:不同）不同）

17、（答案（答案:相同相同,相同）相同）第16页/共48页178.3 能量均分定理能量均分定理一、分子的自由度一、分子的自由度 i:实际气体分子具有一定实际气体分子具有一定 的大小和比较复杂的结构的大小和比较复杂的结构,不能看作不能看作质点。因此，分子的运动不仅有质点。因此，分子的运动不仅有平动平动,还有还有转动转动,以及分子内原以及分子内原子间的子间的振动振动。分子热运动的能量应把。分子热运动的能量应把 这这 些运动的能量都些运动的能量都 包含包含在内。为了说明分子无规则运动的能量所遵从的统计规律在内。为了说明分子无规则运动的能量所遵从的统计规律,并在并在此基础上计算理想气体的内能此基础上计算理

18、想气体的内能,下面将介绍力学中自由度的概念。下面将介绍力学中自由度的概念。1.自由度定义自由度定义:确定一个物体位置所需要的独立坐标个数称该物体的自由度。确定一个物体位置所需要的独立坐标个数称该物体的自由度。在空间自由运动的在空间自由运动的质点质点,它的位置用三个独立坐标它的位置用三个独立坐标(x,y,z)确定。确定。(1)质点的自由度质点的自由度火车运动：一维运动，自由度为一个。火车运动：一维运动，自由度为一个。第17页/共48页18oYXZP（x,y,z)(2)刚体的自由度刚体的自由度:刚体位置的确定共需要六个自由度。刚体位置的确定共需要六个自由度。确定刚体上某一点位置确定刚体上某一点位置

19、:确定刚体转轴的方位确定刚体转轴的方位:确定刚体绕转轴转过的角度确定刚体绕转轴转过的角度,需要一个自由度需要一个自由度();需要二个自由度需要二个自由度(,);需要三个自由度需要三个自由度(x,y,z);飞机运动飞机运动(三维三维),自由度为三个自由度为三个;轮船运动轮船运动(二维二维),自由度为二个自由度为二个;第18页/共48页19(3)气体分子模型自由度气体分子模型自由度单原子分子模型单原子分子模型:质心需要三个平动自由度质心需要三个平动自由度;两原子需要二个转动自由度两原子需要二个转动自由度,一共五个自由度一共五个自由度;刚性双原子分子模型刚性双原子分子模型:弹性双原子分子模型弹性双原

20、子分子模型:质心需要三个平动自由度质心需要三个平动自由度;两原子连线方位需要二个转动自两原子连线方位需要二个转动自由度由度,一个沿连线方位的振动自由度。一个沿连线方位的振动自由度。如氦原子如氦原子 如氧气分子如氧气分子i=t+r=3+2=5需要三个平动自由度需要三个平动自由度 i=t=3;i=t+r+s=3+2+1=6刚性三原子以上分子模型刚性三原子以上分子模型:i=t+r=3+3=6小结：小结：n个原子组成的分子最多是个原子组成的分子最多是3n 个自由度。个自由度。常温下振动自常温下振动自由度可以不考虑。由度可以不考虑。OHHH2OHeO2第19页/共48页20 上式表明上式表明,气体分子沿

21、气体分子沿x、y、z三个方向运动的平均平动动三个方向运动的平均平动动能完全相等；即可以认为，分子的平均平动能能完全相等；即可以认为，分子的平均平动能 是平均地是平均地分配在每一个平动自由度上的。因为分子分配在每一个平动自由度上的。因为分子 平动有平动有3个自由度，个自由度，所以相应于每一个平动自由度的能量是所以相应于每一个平动自由度的能量是二、能量均分定理二、能量均分定理1.理想气体分子的平均平动动能：理想气体分子的平均平动动能：按理想气体的统计假设：按理想气体的统计假设：2.意义意义第20页/共48页213.推广：推广：在平衡态下，气体分子的每一个自由度都在平衡态下，气体分子的每一个自由度都

22、 具有相同的平均具有相同的平均动能。如果气体分子有动能。如果气体分子有i 个自由度，则每个分子的个自由度，则每个分子的总平均总平均动能就是动能就是 .问题：问题：单原子分子，刚性双原子分子，弹性双原子分子以及刚单原子分子，刚性双原子分子，弹性双原子分子以及刚性三原子以上分子的平均动能各是多少？性三原子以上分子的平均动能各是多少？注意：注意：能量均分原理是个统计规律，仅对大量分子平均而言，对能量均分原理是个统计规律，仅对大量分子平均而言，对个别分子并不适用。个别分子并不适用。第21页/共48页22三、理想气体的内能三、理想气体的内能1.气体的内能包括哪些？气体的内能包括哪些？气体的内能气体的内能

23、=气体分子的内动能气体分子的内动能+分子间相互作用势能分子间相互作用势能2.理想气体的内能包括哪些？理想气体的内能包括哪些？理想气体的内能理想气体的内能=所有气体分子各种运动动能的总和所有气体分子各种运动动能的总和问题：问题：3.内能与机械能有什么区别？内能与机械能有什么区别？机械能可以为零，而内能永不为零。机械能可以为零，而内能永不为零。一摩尔理想气体的内能一摩尔理想气体的内能M千克理想气体的内能千克理想气体的内能第22页/共48页23复习：复习：1.理想气体压强2.温度气体的温度是气体分子平均平动动能的量度；气体的温度是气体分子平均平动动能的量度；反映了物体内部分子无规则运动的激烈程度。反

24、映了物体内部分子无规则运动的激烈程度。温度的微观意义：温度的微观意义：第23页/共48页243.方均根速率4.理想气体的平均平动动能与平均动能5.理想气体的内能第24页/共48页251.三个容器内分别储有三个容器内分别储有1mol氦气氦气(He),1mol氢气氢气(H2),1mol氨氨气气(NH3)(三种气体均三种气体均 视为刚性分子的理想气体视为刚性分子的理想气体),若它们的若它们的温度都升高温度都升高 1K,则三种气体内能的增加分别是多少？则三种气体内能的增加分别是多少？问题：问题：1摩尔气体的内能()。分子的平均平动动能分子的平均平动动能();分子的平均总动能分子的平均总动能();分子的

25、平均总能量分子的平均总能量();1摩尔气体分子的总转动动能摩尔气体分子的总转动动能();2.写出下列各量的表达式：某种刚性双原子分子的理想气体处于温度为T的平衡态下:(答案答案:12.5J,20.8J,24.9J)第25页/共48页26(答案:1:8;1:1;5:24)3.有一个处于恒温条件下的容器有一个处于恒温条件下的容器,其内贮有其内贮有1mol某种理想气体某种理想气体,若容器发生缓慢漏气若容器发生缓慢漏气,试问容器内气体分子的平均平动动能是否试问容器内气体分子的平均平动动能是否改变改变?气体的内能是否改变气体的内能是否改变?（答案（答案:不变不变,变变)4.两个容器中分别贮有理想气体氦和

26、氧，已知氦气的压强是氧两个容器中分别贮有理想气体氦和氧，已知氦气的压强是氧气的气的1/2,氦气的容积是氧气的氦气的容积是氧气的2倍。试问氦气的内能是氧气内能倍。试问氦气的内能是氧气内能的多少倍的多少倍?（答案（答案:3/5倍倍)5.质量相等的的理想气体氧和氦质量相等的的理想气体氧和氦,分别装分别装 在两个容积相等的容在两个容积相等的容器内器内,在温度相同的情况下在温度相同的情况下,氧和氦的压强之比为氧和氦的压强之比为 ;氧氧分子和氦分子的平均平动动能之比为分子和氦分子的平均平动动能之比为 ;氧和氦内能之氧和氦内能之比为比为_.第26页/共48页278.4 麦克斯韦速率分布律麦克斯韦速率分布律一

27、、一、统计规律：统计规律：个别分子个别分子：速度大小和方向是毫无规则速度大小和方向是毫无规则的或是偶然的，因而分子热运动的或是偶然的，因而分子热运动速率是由速率是由0 的连续随机变量。的连续随机变量。大量分子整体大量分子整体：在平衡态下，它们的速率分在平衡态下，它们的速率分布遵从一定的统计规律。布遵从一定的统计规律。“伽尔顿板伽尔顿板”统计规律实验图统计规律实验图:二、二、速率分布函数速率分布函数 f(v)的物理意义的物理意义将速率分成若干相等的区间将速率分成若干相等的区间,如如第27页/共48页28设任一速率区间为设任一速率区间为:设总的气体分子数为设总的气体分子数为N,在该区间内的分子数为

28、在该区间内的分子数为N分布在速率分布在速率 v附近单位速率间隔内的分子数附近单位速率间隔内的分子数分布在速率分布在速率 v附近单位速率间隔内的分子数占总分子附近单位速率间隔内的分子数占总分子数的比率。数的比率。当当1.速率分布函数速率分布函数 f(v)的定义：的定义：在平衡态下，在平衡态下，f f（v v）仅是仅是v v 的函数。的函数。注意：注意：vf（v）Ovv+v第28页/共48页292.速率分布函数速率分布函数 f(v)的意义：的意义：分布在速率分布在速率 v附近单位速率间隔内的分子数占总分子数的百分比；附近单位速率间隔内的分子数占总分子数的百分比；当速率分布函数已知当速率分布函数已知

29、,求速率区间求速率区间v1，v2内的总分子数为多少？内的总分子数为多少？3.麦克斯韦分子速率分布律麦克斯韦分子速率分布律早在早在1859年，麦克斯韦应用统计概念和力学原理导出在平衡态年，麦克斯韦应用统计概念和力学原理导出在平衡态下气体分子速率分布函数的具体形式下气体分子速率分布函数的具体形式对单个分子来说，它表示分子具有速率在该单位速率间隔内的概对单个分子来说，它表示分子具有速率在该单位速率间隔内的概率率。问题：问题：第29页/共48页30问题：问题：(3)如图如图(a)曲线下的阴影面积的物理意义是什么？曲线下的阴影面积的物理意义是什么？(4)如图如图(a)曲线下的总面积的物理意义是什么？曲线

30、下的总面积的物理意义是什么？根据根据答：答：f（0）=0。答：答：f（）=0即速率区间即速率区间vv+v内的分子数占总分子数的内的分子数占总分子数的 比值。比值。归一化条件归一化条件f（v）vov v+v图图(a)(a)某一温度下速率分布函数曲线某一温度下速率分布函数曲线第30页/共48页31三、三、分子三种特殊速率的统计平均值分子三种特殊速率的统计平均值(1)算术平均速率算术平均速率 (2)方均根速率方均根速率 第31页/共48页32(3)最概然速率最概然速率vp最概然速率是指在任一温度最概然速率是指在任一温度T时时,气体中分子最可能具有的速率值。气体中分子最可能具有的速率值。(4)三种速率

31、的关系三种速率的关系某一温度下分子速率的三个统计值某一温度下分子速率的三个统计值vpvv2即在即在v =vp时时,分布函数应有极大值。分布函数应有极大值。f（v）vo第32页/共48页33问题问题:如图如图(1)所示所示,三条曲线分别代表同一种气体在不同温度下的速三条曲线分别代表同一种气体在不同温度下的速率分布曲线率分布曲线,试判断它们所代表的温度关系。试判断它们所代表的温度关系。答答:T1T2T3图图(1)f（v）vof(vp3)vpf(vp1)f(vp2)T1T3T2第33页/共48页34如图如图(2)所示所示,三条曲线分别代表同一种温度下不同分子的速率三条曲线分别代表同一种温度下不同分子

32、的速率分布曲线分布曲线,试判断它们所代表的质量关系。试判断它们所代表的质量关系。答答:m3m2m1图图(2)vpm2m3m1f（v）of(vp3)f(vp1)f(vp2)第34页/共48页353.气体处于平衡态时,分子速率分布曲线如图(3)所示,图中 A、B 两部分的面积之比为1:2,则它们的物理意义是什么?5.某气体分子在温度某气体分子在温度T1时的方均根速率等于温度为时的方均根速率等于温度为T2时的平均时的平均速率速率,则该二温度之比为则该二温度之比为T2/T1=?(答案答案:3:8)4.在图在图(4)中中,两条曲线分别表示相同温度下两条曲线分别表示相同温度下,氢气和氧气分子的氢气和氧气分

33、子的速率分布曲线速率分布曲线,则则a表示什么表示什么 气体分子的速率分布曲线气体分子的速率分布曲线;b表示什表示什么么 气体分子的速率分布曲线气体分子的速率分布曲线,又氧气分子和氢气分子的最概然又氧气分子和氢气分子的最概然速率之比为速率之比为 vpO2:vpH2=?(答案答案:氧氧;氢氢;1:4)图图(4)f（v）voabf（v）vo图图(3)ABvp第35页/共48页36四、玻尔兹曼分布律四、玻尔兹曼分布律 玻尔兹曼把麦克斯韦分布律推广到气体分子在任意力场中玻尔兹曼把麦克斯韦分布律推广到气体分子在任意力场中运动的情形运动的情形。麦克斯韦首先得到的是速度分布率。麦克斯韦首先得到的是速度分布率。

34、区间分子数占总分子数为：区间分子数占总分子数为：-E代表分子总能量代表分子总能量为经典统计规律，表明平衡态下，能量越高的粒子数越少，为经典统计规律，表明平衡态下，能量越高的粒子数越少，第36页/共48页37重力场中粒子按高度的分布重力场中粒子按高度的分布 在重力场中，气体分子受到两种互相对立的作用。无规则在重力场中，气体分子受到两种互相对立的作用。无规则的热运动将使气体分子均匀分布于它们所能到达的空间，而重的热运动将使气体分子均匀分布于它们所能到达的空间，而重力则要使气体分子聚拢在地面上，当这两种作用达到平衡时，力则要使气体分子聚拢在地面上，当这两种作用达到平衡时，气体分子在空间作非均匀的分布

35、，分子数随高度减小。气体分子在空间作非均匀的分布，分子数随高度减小。设设z=0处势能为零，则处势能为零，则在重力场中气体分子的密度在重力场中气体分子的密度n随高度随高度Z的增加按指数而减小。的增加按指数而减小。分子的质量分子的质量m越大，重力的作用就越显著越大，重力的作用就越显著，n的减小就越迅速，的减小就越迅速，气体的温度越高，分子的无规则运动越剧烈，气体的温度越高，分子的无规则运动越剧烈，n的减小就越缓的减小就越缓慢。慢。第37页/共48页38rRlLOD蒸汽源蒸汽源检测器检测器圆柱体圆柱体R抽气抽气抽气抽气 8.5 麦克斯韦速率分布律的实验验证当当R以给定角速度以给定角速度 转动时转动时

36、,只有满足下列关系式的原子才只有满足下列关系式的原子才能通过细槽出口：能通过细槽出口：而其它速率的原子则将沉积在而其它速率的原子则将沉积在槽壁上槽壁上,小孔充分小，改变角小孔充分小，改变角速度速度，用，用D测出通过细槽的原子射线强度，可得气体速率分测出通过细槽的原子射线强度，可得气体速率分布。布。第38页/共48页39Vm/（10-3L/mol）95.5液液汽液共存汽液共存汽汽气气P/atm0455072.3KABC48.1 OC31.1 OC21 OC13OCD 8.6 实际气体等温线注意注意:实际气体在温度较低和压强较大范围内实际气体在温度较低和压强较大范围内,等温线不再是双等温线不再是双

37、曲线。曲线。临界压强临界等温线临界温度临界点临界摩尔体积COCO2 2等温线等温线第39页/共48页408.7 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程一、气体分子的碰撞过程一、气体分子的碰撞过程连续两次碰撞之间一连续两次碰撞之间一个分子自由运动的平均路个分子自由运动的平均路程。程。三、三、平均自由程平均自由程：单位时间内一个分单位时间内一个分子和其它分子碰撞的平子和其它分子碰撞的平均次数。均次数。二、平均碰撞频率二、平均碰撞频率Z：设分子的平均速率为设分子的平均速率为 v第40页/共48页41ddd围绕分子的中心围绕分子的中心,以以 d为半径画出的球叫做为半径画出的球叫做分子的作用球分子的作

38、用球。(1)假定每个分子都是直径为假定每个分子都是直径为d 的刚性小球的刚性小球;(2)假定一个假定一个A分子以相对速率分子以相对速率 u 运动运动,其它分子都静止不动其它分子都静止不动;当当A分子与其它分子作一次弹性碰撞时分子与其它分子作一次弹性碰撞时,两个分子的中心相隔距离就是两个分子的中心相隔距离就是d。d2dAu围绕分子的中心围绕分子的中心,以以 d为半径画为半径画出的截面叫做分子的出的截面叫做分子的碰撞截面碰撞截面。以以A分子中心的运动轨迹为轴线分子中心的运动轨迹为轴线,以以 d 为半径做一曲折的圆柱体为半径做一曲折的圆柱体d第41页/共48页42d2dAu在在t 时间内时间内,分子

39、分子A走过的路程为走过的路程为:t 时间内时间内,以以A分子中心的运动轨迹为分子中心的运动轨迹为轴线轴线,以以 d 为半径的圆柱体体积为半径的圆柱体体积:设单位体积内的分子数为设单位体积内的分子数为n,则该体积内的分子总数为则该体积内的分子总数为:即在即在t 时间内时间内,分子分子A碰撞的次数为碰撞的次数为:平均碰撞频率平均碰撞频率 Z：第42页/共48页43平均自由程平均自由程：对于空气分子对于空气分子,在标准状态下在标准状态下:所以平均自由程与温度成正比所以平均自由程与温度成正比,与压强成反比。与压强成反比。第43页/共48页44练习练习1:一容器被中间的隔板分成相等的两半一容器被中间的隔

40、板分成相等的两半,一半装有氦气一半装有氦气,温度温度为为250K;另一半装有氧气另一半装有氧气,温度为温度为310K，二者压强相等。求去掉，二者压强相等。求去掉隔板两种气体混合后的温度。隔板两种气体混合后的温度。混合前混合前,对于氦对于氦:由于压强相同由于压强相同:混混 合前的总内能合前的总内能:混混 合后的总内能合后的总内能:混合前混合前,对于氧对于氧:第44页/共48页45由于混合前后的总内能不变由于混合前后的总内能不变:第45页/共48页46练习练习2: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）作速率分布曲线（2）由）由 vo求常求常 数数C（3）求粒子的平均速率）求粒子的平均速率第46页/共48页47f（v）vovo（1）速率分布曲线）速率分布曲线（2）由归一化条件）由归一化条件（3）粒子的平均速率）粒子的平均速率解：解：第47页/共48页感谢您的观看！第48页/共48页