1第9章 气体动理论.ppt

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1、热烈欢迎大家成为我的学生热烈欢迎大家成为我的学生商育民:13638688601,1，讲义在信箱讲义在信箱“”(密码：密码：ccbp00)中。中。2,请大家以班为单位去教材科购买教材。请大家以班为单位去教材科购买教材。热运动热运动是物体中分子或原子的无规则运动，这种无序的运动是是物体中分子或原子的无规则运动，这种无序的运动是自然界的一种基本运动形式。自然界的一种基本运动形式。研究分子热研究分子热运动，讨论热现象的规律，分析物体热性质的理论运动，讨论热现象的规律，分析物体热性质的理论称为称为热物理学热物理学，即，即热学热学。经典热学分宏观理论和微观理论。经典热学分宏观理论和微观理论。宏观理论叫宏观

2、理论叫热力学热力学。微观理论叫微观理论叫气体动理论气体动理论。它从物质分子结构和分子运动出发，。它从物质分子结构和分子运动出发，应用力学规律和统计方法，研究大量分子热运动所体现的集体效应，应用力学规律和统计方法，研究大量分子热运动所体现的集体效应，解释热现象和热性质。解释热现象和热性质。第7章 气体动理论气体动理论 研究对象研究对象(东西东西)称为称为热力学系统热力学系统，系统系统。与外界无能量交换，无物质与外界无能量交换，无物质交换交换孤立系统孤立系统。第第1 1节节 热力学系统和运动状态热力学系统和运动状态一一,热力学系统热力学系统 与外界有能量交换，无物质与外界有能量交换，无物质交换交换

3、封闭系统封闭系统 人体各器官可构成系统，你关心心脏，则心脏是系统，其它部人体各器官可构成系统，你关心心脏，则心脏是系统，其它部分是外界分是外界。与外界有能量交换，有物质与外界有能量交换，有物质交换交换开放系统开放系统。系统之系统之外的所有东西就叫外的所有东西就叫外界外界。研究系统状态和状态演化，热力学与气体动理论采用的方法不研究系统状态和状态演化，热力学与气体动理论采用的方法不 热力学：宏观描述方法，用热力学：宏观描述方法，用V、T、p等量描述系统性质，这些等量描述系统性质，这些量是量是宏观量宏观量。早期微观量早期微观量无法用实验方法直接确定，因为分子太小、太多。无法用实验方法直接确定，因为分

4、子太小、太多。实际上也没有必要去测量，只要分析实际上也没有必要去测量，只要分析微观量与宏观量关系即可。微观量与宏观量关系即可。微观量微观量-宏观量之间的关系是统计关系。宏观量之间的关系是统计关系。第第1 1节节 热力学系统和运动状态热力学系统和运动状态二二,宏观量与微观量宏观量与微观量 气体动理论：微观描述方法，用分子质量、气体动理论：微观描述方法，用分子质量、x、动量等量描述、动量等量描述系统，这些量是系统，这些量是微观量微观量。同。同。状态分状态分2 2类：类：平衡态、非平衡态平衡态、非平衡态。看一个实例：看一个实例：正在变化的状态则是正在变化的状态则是非平衡态非平衡态。第第1 1节节 热

5、力学系统和运动状态热力学系统和运动状态三三,平衡态与状态参量平衡态与状态参量 系统最终达到的、无外界影响就不发生变化的状态叫系统最终达到的、无外界影响就不发生变化的状态叫平衡态平衡态。真空真空 正在扩散正在扩散 达到不再变化的状态达到不再变化的状态 实验证明：实验证明：这个平衡态将一直保持下去，除非受到外界影响，它才被这个平衡态将一直保持下去，除非受到外界影响，它才被 如系统不受外界影响，经过一段时间后必定达到如系统不受外界影响，经过一段时间后必定达到平衡态。平衡态。破坏。破坏。系统处于平衡态，有一个确定的物理量集合表征这个平衡态，系统处于平衡态，有一个确定的物理量集合表征这个平衡态，这些物理

6、量被称为这些物理量被称为状态参量状态参量。比如质量为比如质量为m、分子数为分子数为N的某种气体的某种气体处于平衡态时，其压强处于平衡态时，其压强p、温度温度T、质量密度质量密度m/V、分子数密度、分子数密度N/V 等都是确定的，都可用来确定这个平衡态，成为状态参量。等都是确定的，都可用来确定这个平衡态，成为状态参量。第第1 1节节 热力学系统和运动状态热力学系统和运动状态三三,平衡态与状态参量平衡态与状态参量 实验表明实验表明:气体温度较高、压强较小时，只需要两个独立参量气体温度较高、压强较小时，只需要两个独立参量就可以确定平衡态，其它参量可以用方程就可以确定平衡态，其它参量可以用方程T=T(

7、p,V)确定下来，这个确定下来，这个方程叫方程叫状态方程状态方程。以独立的状态参量为坐标所画出的图叫以独立的状态参量为坐标所画出的图叫状态图状态图。p V o12V1V2 p2 p1 状态图上，一个点对应一个状态状态图上，一个点对应一个状态。在状态可以变化，有变化就有一个过程：在状态可以变化，有变化就有一个过程：从初态从初态末态的过程末态的过程热力学过程（热力学过程（过程过程）。第第1 1节节 热力学系统和运动状态热力学系统和运动状态四四,热力学过程、过程曲线热力学过程、过程曲线 上面的抽掉中间隔板系统不能实现准静态过程，但下面缓慢移上面的抽掉中间隔板系统不能实现准静态过程，但下面缓慢移动的气

8、缸中可以实现：动的气缸中可以实现：真空真空 最后的状态最后的状态 开始的状态开始的状态 中间态中间态 末态末态 初态初态 如中间状态也是平衡态，则过程叫做如中间状态也是平衡态，则过程叫做准静态过程准静态过程。否否则叫做则叫做非非准静态过程准静态过程。无限缓慢的热力学过程往往是准静态热力学过程无限缓慢的热力学过程往往是准静态热力学过程不是准静态不是准静态 准静态热力学过程中所有中间状态都可以在状态图上表示出来，准静态热力学过程中所有中间状态都可以在状态图上表示出来，第第1 1节节 热力学系统和运动状态热力学系统和运动状态四四,热力学过程、过程曲线热力学过程、过程曲线这些点连成一条曲线，叫热力学这

9、些点连成一条曲线，叫热力学过程曲线过程曲线。p V o2V2 p21V1 p1 两个系统挨在一起，它们之间会出现热交换，过一段时间后，两个系统挨在一起，它们之间会出现热交换，过一段时间后，热交换停止，两个系统状态不再发生改变，两个系统达到新的热平热交换停止，两个系统状态不再发生改变，两个系统达到新的热平衡。衡。第第1 1节节 热力学系统和运动状态热力学系统和运动状态五五,温度、热力学第温度、热力学第0 0定律定律 实验证明：两个系统与第三个系统接触，且都与第三个系统达实验证明：两个系统与第三个系统接触，且都与第三个系统达成热平衡，则这两个系统也处于热平衡成热平衡，则这两个系统也处于热平衡热力学

10、第热力学第0 0定律定律。热力学第热力学第0 0定律是能够进行温度测量的依据。定律是能够进行温度测量的依据。热力学第热力学第0 0定律也是温度定义的依据：定律也是温度定义的依据：互相处于热力学平衡的两个系统显然具有共同的宏观状态参量，互相处于热力学平衡的两个系统显然具有共同的宏观状态参量，记为记为T，温度。温度。热热 T1 T2 T1 T2 两个系统挨在一起，它们之间会出现热交换，过一段时间后，两个系统挨在一起，它们之间会出现热交换，过一段时间后，热交换停止，两个系统状态不再发生改变，两个系统达到新的热平热交换停止，两个系统状态不再发生改变，两个系统达到新的热平衡。衡。第第1 1节节 热力学系

11、统和运动状态热力学系统和运动状态五五,温度、热力学第温度、热力学第0 0定律定律 实验证明：两个系统与第三个系统接触，且都与第三个系统达实验证明：两个系统与第三个系统接触，且都与第三个系统达成热平衡，则这两个系统也处于热平衡成热平衡，则这两个系统也处于热平衡热力学第热力学第0 0定律定律。热力学第热力学第0 0定律是能够进行温度测量的依据。定律是能够进行温度测量的依据。热力学第热力学第0 0定律也是温度定义的依据：定律也是温度定义的依据：互相处于热力学平衡的互相处于热力学平衡的2个系统显然具有共同的宏观状态参量，个系统显然具有共同的宏观状态参量，记为记为T，温度。温度。无热无热 T1 T2 T

12、1 T2 两个系统挨在一起，它们之间会出现热交换，过一段时间后，两个系统挨在一起，它们之间会出现热交换，过一段时间后，热交换停止，两个系统状态不再发生改变，两个系统达到新的热平热交换停止，两个系统状态不再发生改变，两个系统达到新的热平衡。衡。第第1 1节节 热力学系统和运动状态热力学系统和运动状态五五,温度、热力学第温度、热力学第0 0定律定律 实验证明：两个系统与第三个系统接触，且都与第三个系统达实验证明：两个系统与第三个系统接触，且都与第三个系统达成热平衡，则这两个系统也处于热平衡成热平衡，则这两个系统也处于热平衡热力学第热力学第0 0定律定律。热力学第热力学第0 0定律是能够进行温度测量

13、的依据。定律是能够进行温度测量的依据。热力学第热力学第0 0定律也是温度定义的依据：定律也是温度定义的依据：互相处于热力学平衡的互相处于热力学平衡的2个系统显然具有共同的宏观状态参量，个系统显然具有共同的宏观状态参量，记为记为T，温度。温度。温度的数字表示法叫温度的数字表示法叫温标温标。温标与测温物质有关。温标与测温物质有关。以后面将要讲述的热力学第二定律为基础可以定义一个与测温以后面将要讲述的热力学第二定律为基础可以定义一个与测温物质无关的温标，物质无关的温标，它与摄氏温标的关系为它与摄氏温标的关系为 气体是热力学中较简单的热力学系统。气体是热力学中较简单的热力学系统。第第2 2节节 理想气

14、体状态方程与微观模型理想气体状态方程与微观模型 理想气体理想气体(perfect gas)是最简单的热力学系统。是最简单的热力学系统。理想气体有理想气体有3个状态参量个状态参量T、p、V。高中我们学习了高中我们学习了3个气体的定律：个气体的定律：第第2 2节节 理想气体状态方程与微观模型理想气体状态方程与微观模型一一,理想气体理想气体玻意耳定律：玻意耳定律：这这3个定律在气体温度较高时，与实验符合得较好。温度越低与实个定律在气体温度较高时，与实验符合得较好。温度越低与实验符合得越差。验符合得越差。马略特定律：马略特定律：查查 理定律：理定律：能严格遵守玻意耳定律的气体叫能严格遵守玻意耳定律的气

15、体叫理想气体理想气体，它是实际气体的一，它是实际气体的一种理想模型。种理想模型。第第2 2节节 理想气体状态方程与微观模型理想气体状态方程与微观模型玻意耳定律：玻意耳定律：查查 理定律：理定律：由上述这由上述这3个理想气体定律可以得到一个方程个理想气体定律可以得到一个方程二二,理想气体状态方程理想气体状态方程马略特定律：马略特定律：第第2 2节节 理想气体状态方程与微观模型理想气体状态方程与微观模型 由上述这由上述这3个理想气体定律可以得到一个方程个理想气体定律可以得到一个方程其中其中n nm/M为气体的摩尔数，为气体的摩尔数，M为气体摩尔质量，为气体摩尔质量，R8.31J/(mol.K),为

16、气体普适常数。为气体普适常数。由阿伏伽德罗常数由阿伏伽德罗常数NA=6.0221023(1/mol)引入玻耳兹曼常数引入玻耳兹曼常数则则分子数密度分子数密度二二,理想气体状态方程理想气体状态方程第第2 2节节 理想气体状态方程与微观模型理想气体状态方程与微观模型【例题例题7-2】设太阳为一密度均匀的氢气体球，如果已知其中心压强设太阳为一密度均匀的氢气体球，如果已知其中心压强为为1.351014pa，试估计太阳中心温度。试估计太阳中心温度。【解解】太阳的气体分子密度太阳的气体分子密度由由得得 这是一个足以维持太阳发生氢聚变的温度。这是一个足以维持太阳发生氢聚变的温度。氢原子质量氢原子质量太阳半径太阳半径太阳质量太阳质量二二,理想气体状态方程理想气体状态方程