2气体动理论.ppt
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1、第第2章章 气体动理论气体动理论本章内容:本章内容:一、压强、温度的统计意义一、压强、温度的统计意义二、理想气体内能及其统计意义二、理想气体内能及其统计意义三、速度分布律与能量分布律三、速度分布律与能量分布律四、分子碰撞与平均自由程四、分子碰撞与平均自由程重点理解和掌握:重点理解和掌握:1、“基本物理规律基本物理规律+统计规律统计规律统计力学规律统计力学规律”2、物质的宏观热学性质与微观分子运动的内在联系。、物质的宏观热学性质与微观分子运动的内在联系。五、输运过程五、输运过程1 理想气体的压强与温度理想气体的压强与温度一、气体分子运动论的基本观点一、气体分子运动论的基本观点1、宏观的气体物质由
2、大量微观粒子(分子、原子)组成,、宏观的气体物质由大量微观粒子(分子、原子)组成,分子之间有一定的间隙。分子之间有一定的间隙。气体分子的密度(标准状态)气体分子的密度(标准状态)1019 个分子个分子/cm32、分子不停地作无规则热运动、分子不停地作无规则热运动分子的平均碰撞次数:分子的平均碰撞次数:z 1010 次次/秒秒。3、分子间有一定的作用力。、分子间有一定的作用力。分子热运动的平均速度分子热运动的平均速度 v 102m/s。长程力长程力碰撞力碰撞力气体分子的平均间距约为分子自身大小的气体分子的平均间距约为分子自身大小的10倍。倍。二、理想气体的微观模型二、理想气体的微观模型1、理想气
3、体的分子之间的平均间隙远大于分子自身尺度,可、理想气体的分子之间的平均间隙远大于分子自身尺度,可作为质点处理。作为质点处理。2、分子间的长程力可忽略不计。、分子间的长程力可忽略不计。3、分子间的碰撞为完全弹性的,且分子运动可用牛顿定律、分子间的碰撞为完全弹性的,且分子运动可用牛顿定律处理。处理。存在的问题:存在的问题:分子数目十分巨大,如果对每一个分子列出其动力学方分子数目十分巨大,如果对每一个分子列出其动力学方程,则因联立方程的数量亦十分巨大,故对每一个分子的程,则因联立方程的数量亦十分巨大,故对每一个分子的运动一一求解,是不可能的,实际上也不必要。运动一一求解,是不可能的,实际上也不必要。
4、我们实际关心的不是每一个分子的运动,而是所有分子我们实际关心的不是每一个分子的运动,而是所有分子的运动在宏观上造成的总的(平均)效果。的运动在宏观上造成的总的(平均)效果。q对单个分子的力学性质的假设(分子模型)对单个分子的力学性质的假设(分子模型)q对平衡态下分子集体的统计假设对平衡态下分子集体的统计假设1、平衡态下分子按位置的分布是均匀的,即分子数密度平衡态下分子按位置的分布是均匀的,即分子数密度n处处相等(忽略重力影响)。处处相等(忽略重力影响)。2、平衡态下分子的速度按方向的分布是各向均匀的。平衡态下分子的速度按方向的分布是各向均匀的。即:即:三、理想气体的压强公式三、理想气体的压强公
5、式1、压强的微观解释(压强的微观解释(The Microscopic Interpretation of Pressure)压强的定义:压强的定义:大量气体分子同时对器壁频繁碰撞所产生的冲力的总效果。大量气体分子同时对器壁频繁碰撞所产生的冲力的总效果。2、压强公式的推导压强公式的推导1)先考虑任一个分子。设其以速度先考虑任一个分子。设其以速度vi 向着器壁运动。向着器壁运动。2)设单位体积内速度为设单位体积内速度为vi 的分子数为的分子数为ni,考虑在时间,考虑在时间dt内以该速度碰撞内以该速度碰撞于面元于面元S上的分子数上的分子数dNi。此次碰撞中器壁受到的冲量为:此次碰撞中器壁受到的冲量为
6、:S x(器壁器壁的法向)的法向)Fvi则反弹后的则反弹后的x方向的分速度为:方向的分速度为:Sx(器壁器壁的法向)的法向)F4)器壁实际所受冲力应为以各种速度碰撞于面元器壁实际所受冲力应为以各种速度碰撞于面元S上的所上的所有分子的总贡献:有分子的总贡献:vi dt3)所以,在时间所以,在时间dt内以速度内以速度vi碰碰撞于面元撞于面元S上的分子给器壁上的分子给器壁的总冲量为:的总冲量为:显然有:显然有:注意:注意:vix02)设单位体积内速度为设单位体积内速度为vi 的分子数为的分子数为ni,考虑在时间,考虑在时间dt内以该速度碰撞内以该速度碰撞于面元于面元S上的分子数上的分子数dNi。所贡
7、献的力:所贡献的力:设:单位体积内,运动速度满足设:单位体积内,运动速度满足vix0的分子数为的分子数为n由统计假设:由统计假设:器壁所受的压强为:器壁所受的压强为:又由统计假设:又由统计假设:得:得:2 2、压强公式的物理意义、压强公式的物理意义其中:其中:表明了宏观量(压强)与微观量(分子质量、速率、动表明了宏观量(压强)与微观量(分子质量、速率、动能、个数能、个数)的定量关系;)的定量关系;适用于平衡态;适用于平衡态;是一条统计规律,极大量分子集体作用于器壁。是一条统计规律,极大量分子集体作用于器壁。分子速率的方均值分子速率的方均值分子平动动能的平均值分子平动动能的平均值单位体积的分子数
8、单位体积的分子数(分子数密度)(分子数密度)四、理想气体的温度公式四、理想气体的温度公式理想气体状态方程的另一种形式:理想气体状态方程的另一种形式:结合压强公式结合压强公式得分子平均平动动能:得分子平均平动动能:或:或:玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数(温度的微观解释)(温度的微观解释)q温度公式的物理意义温度公式的物理意义1)温度是物质分子运动剧烈程度的温度是物质分子运动剧烈程度的量度。量度。3)可由温度求出理想气体分子在平衡态下速率的可由温度求出理想气体分子在平衡态下速率的“方均根方均根”(root-mean-square speed,或,或“方均根速率方均根速率”):):或或其中,其中,为理想气
9、体为理想气体的摩尔质量的摩尔质量2)温度表征极大量分子集体的运动温度表征极大量分子集体的运动特征。特征。思考:如果问思考:如果问“某一个分子的温度某一个分子的温度有多高?有多高?”,应该怎样回答?,应该怎样回答?例题例题解:解:我们将我们将0下的氢气(下的氢气(H2)和氧气()和氧气(O2)看成是理想气体来)看成是理想气体来处理,求出其分子的方均根速率。处理,求出其分子的方均根速率。2)对氧气:摩尔质量为)对氧气:摩尔质量为温度温度1)对氢气:摩尔质量为)对氢气:摩尔质量为T=273.15KR=8.31J/molK 当考虑能量问题时,不能把气体分子看成质点,因为:当考虑能量问题时,不能把气体分
10、子看成质点,因为:分子的能量不仅有平动动能,还有转动动能及振动能量。分子的能量不仅有平动动能,还有转动动能及振动能量。一、分子的自由度(一、分子的自由度(Degree of Freedom)自由度:自由度:确定一个物体的空间位置所需要的独立坐标的数目确定一个物体的空间位置所需要的独立坐标的数目i。1、刚性分子:、刚性分子:单原子:单原子:i=t+r+s2、非刚性分子:、非刚性分子:一般地:对于一般地:对于N个原子组成的分子,个原子组成的分子,i=3N双原子(或直线状分子):双原子(或直线状分子):i=i=多原子:多原子:i=t+r=s=0其中:其中:t=3,r=3或或2,s=i-t-r当温度很
11、高时,还要考虑振动自由度当温度很高时,还要考虑振动自由度s的贡献。的贡献。平动平动转动转动振动振动常温下,不必考虑常温下,不必考虑 振动自由度。振动自由度。2 能均分定理能均分定理 理想气体的内能理想气体的内能t=3t+r=3+2=53+3=6二、能均分定理二、能均分定理分子的平动动能:分子的平动动能:其平均值为其平均值为:故每个平动自由度分配的平均动能为:故每个平动自由度分配的平均动能为:刚性双原子分子除平刚性双原子分子除平动能,还有转动能:动能,还有转动能:可证明:每个转动自由度分配的平均动能亦为可证明:每个转动自由度分配的平均动能亦为非刚性双原子分子除平动能、非刚性双原子分子除平动能、转
12、动能,还有振动能转动能,还有振动能(s=1):):第一项为振动动能,第二项为弹性势能,两项的平均值相等。第一项为振动动能,第二项为弹性势能,两项的平均值相等。可证明:每个振动自由度分配的平均动能为可证明:每个振动自由度分配的平均动能为平衡态下平衡态下能量均分定理(能量均分定理(Theorem of Equipartition of Energy):):设平动自由度设平动自由度 t,转动自由度,转动自由度 r,振动自由度,振动自由度 s,则由以上叙述,则由以上叙述可知,平均总动能应为:可知,平均总动能应为:单原子分子单原子分子 因此:因此:刚性刚性双原子分子双原子分子非刚性非刚性双原子分子双原子
13、分子刚性刚性多原子分子多原子分子 由经典统计力学描述的气体处于绝对温度由经典统计力学描述的气体处于绝对温度 T 下的平衡态时,下的平衡态时,其能量的每个独立平方项的平均值恒等于其能量的每个独立平方项的平均值恒等于 kT/2。说明:说明:2)实验证明,在常温下,气体分子实际上并没有振动实验证明,在常温下,气体分子实际上并没有振动动能(动能(s=0),故今后如不指明,均作),故今后如不指明,均作“刚性刚性”分子分子处理。处理。1)以上结论仅在一定程度上与实际吻合,根本原因是:以上结论仅在一定程度上与实际吻合,根本原因是:对微观粒子运动,经典力学已不再适用。对微观粒子运动,经典力学已不再适用。三、理
14、想气体的内能(三、理想气体的内能(Internal Energy of Ideal Gas)1、一般而言,内能、一般而言,内能:2、对理想气体:、对理想气体:由能均分定理知,理想气体的内能应为:由能均分定理知,理想气体的内能应为:说明:说明:2)上式仅在一定的温度范围内成立。上式仅在一定的温度范围内成立。3)对于理想气体,即使上式不成立,其内能仍应满足:对于理想气体,即使上式不成立,其内能仍应满足:1)注意体会两个普适常数注意体会两个普适常数R和和k在上式中的意义。在上式中的意义。可认为可认为Ep=0这是理想气体的重要特征之一。这是理想气体的重要特征之一。(不考虑振动自由度)(不考虑振动自由度
15、)思考:思考:p85 2.1,2.2,2.3,2.13必做:必做:p86 2.1,2.2,2.3,2.43 麦克斯韦速率分布律麦克斯韦速率分布律一、统计规律与分布函数一、统计规律与分布函数例如:例如:2、速率分布函数、速率分布函数气体分子的数量十分巨大,运动完全无序(无规则热运动)气体分子的数量十分巨大,运动完全无序(无规则热运动)单个分子速率不可预知,但大量分子的速率分布却遵循单个分子速率不可预知,但大量分子的速率分布却遵循一定的规律,这个规律是能够确定的,称作一定的规律,这个规律是能够确定的,称作统计规律。统计规律。1、统计规律、统计规律实验测得实验测得0下氧气下氧气分子的速率分布情况分子
16、的速率分布情况直方图。直方图。每个速率区间的宽度每个速率区间的宽度为为v=100m/s伽尔顿板伽尔顿板实验。实验。掷骰子、掷骰子、速率分布函数速率分布函数为了更精确地描述分子按速率大小的分布情况,应缩小速为了更精确地描述分子按速率大小的分布情况,应缩小速率区间。率区间。即:即:vdv则:则:N/N0dN/N0这里的这里的dv和和dN应为应为“宏观小、微观大宏观小、微观大”的量。的量。易知:易知:dN/N0 dv 可设:可设:dN/N0=f(v)dv速率分布函数的物理意义速率分布函数的物理意义1)是是“概率密度函数概率密度函数”:分子速率处于:分子速率处于v附近附近 v-v+d v区间的概率大小
17、。区间的概率大小。所以,所以,f(v)应为:速率处于某值应为:速率处于某值v附近附近“单位速率区间单位速率区间”的概率。的概率。注意:由实验结果知,注意:由实验结果知,概率密度概率密度f(v)的值应与速率的值应与速率v有关。有关。dNN0=f(v)dv2)归一化条件:归一化条件:二、麦克斯韦速率分布律(二、麦克斯韦速率分布律(1859年)年)1、速率分布曲线、速率分布曲线当当v0 或或 v 时:时:f(v)0最概然速率最概然速率2、分子速率、分子速率v处在一定速率范围内的概率大小处在一定速率范围内的概率大小?平衡态下的理想气体:平衡态下的理想气体:(the Most Probable Spee
18、d):):0f(v)vvp0f(v)vvv+dv2、分子速率、分子速率v处在一定速率范围内的概率大小处在一定速率范围内的概率大小f(v)vv+d v之间的元面积:之间的元面积:dNN0f(v)dv=v的值处于的值处于 v v+d v范围内的概率大小范围内的概率大小v1v2之间的面积:之间的面积:f(v)dv=v2v1NN0v的值处于的值处于 v1 v2范围内的概率大小范围内的概率大小思考:曲线下的总面积思考:曲线下的总面积=?3、温度对速率分布曲线的影响、温度对速率分布曲线的影响0f(v)vvpf(vp)T2T3T1同种气体同种气体分别处于三种温度:分别处于三种温度:T1 T2 T3结论:温度
19、越高,速率大的分子数越多。结论:温度越高,速率大的分子数越多。思考:若上面曲线分别为思考:若上面曲线分别为同种温度同种温度下三种不同气体的分子速下三种不同气体的分子速 率分布,请回答:三种气体有何不同?率分布,请回答:三种气体有何不同?三、用麦克斯韦速率分布律计算平衡态下分子的平均三、用麦克斯韦速率分布律计算平衡态下分子的平均速率与方均根速率速率与方均根速率从而可求得方均根:从而可求得方均根:同理:同理:1、平均速率、平均速率v将速率分布函数式代入可算得:将速率分布函数式代入可算得:2、方均根速率、方均根速率vrms(或(或 )v2速率的方均值速率的方均值注意:注意:以上三种统计速率各有不同的
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- 气体 理论
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