第05章 气体动理论.ppt
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1、 研研究究一一个个与与温温度度有有关关的的各各种种宏宏观观现现象象热热现现象象,以及这些现象的以及这些现象的微观机制。微观机制。1 1热学的研究对象热学的研究对象2.3 2.3 宏宏观观与与微微观观的的关关系系:微微观观粒粒子子的的热热运运动动与与系系统统的的各各种种宏宏观观热热现现象象之之间间存存在在着着内内在在的的联联系系。宏宏观观量量等于微观量的统计平均值。等于微观量的统计平均值。2.2.宏观与微观宏观与微观2.1 2.1 宏宏观观现现象象与与宏宏观观量量:宏宏观观现现象象即即一一个个系系统统所所表表现现出出来来的的各各种种物物理理性性质质以以及及这这些些性性质质的的变变化化规规律律。描
2、描述述一一个个系系统统宏宏观观性性质质的的物物理理量量称称为为宏宏观观量量。例例:P、V、T、E、C等。等。2.2 2.2 微微观观运运动动与与微微观观量量:微微观观运运动动即即系系统统内内部部的的微微观观粒粒子子的的热热运运动动。描描述述微微观观粒粒子子热热运运动动的的物物理理量量称称为微观量。例:为微观量。例:m、v、等。等。3 3热学的两种研究方法热学的两种研究方法 宏宏观观方方法法:把把系系统统看看成成一一个个整整体体,从从基基本本的的热热力力学学定定律律(这这些些定定律律是是从从观观察察、实实验验中中总总结结出出来来的的)出出发发,通通过过严严密密的的逻逻辑辑推推理理的的方方法法研研
3、究究系系统统的的各各种种宏宏观性质及其变化规律观性质及其变化规律热力学。热力学。微微观观方方法法:依依据据微微观观粒粒子子热热运运动动所所满满足足的的力力学学定定律律,通通过过统统计计的的方方法法研研究究系系统统的的宏宏观观性性质质,并并揭揭示示各各种种热现象的本质热现象的本质统计物理学。统计物理学。5-1 5-1 平衡态平衡态 状态参量状态参量 状态方程状态方程5-2 5-2 气体分子热运动及其统计规律气体分子热运动及其统计规律5-3 5-3 麦克斯韦速率分布麦克斯韦速率分布5-4 5-4 理想气体的压强与温度理想气体的压强与温度5-5 5-5 能量均分定理能量均分定理 理想气体的内能理想气
4、体的内能5-6 5-6 分子的平均碰撞频率和平均自由程分子的平均碰撞频率和平均自由程5-7 5-7 输运现象输运现象1.1.热力学系统热力学系统 把研究的对象视为一个系统,称为把研究的对象视为一个系统,称为热力学系统,热力学系统,而系统以外的部分则称为而系统以外的部分则称为外界。外界。热力学系统是一个由大量的热力学系统是一个由大量的微观粒子(分子、原子)组微观粒子(分子、原子)组成的宏观系统。成的宏观系统。热力学系统与外界之间通过热力学系统与外界之间通过做功,热传递和粒子交换而做功,热传递和粒子交换而相互联系。相互联系。外界外界热力学系统热力学系统2.2.平衡态平衡态 平衡态是一种动态平衡状态
5、平衡态是一种动态平衡状态 在不受外界影响的条件下,系统的宏观性质不在不受外界影响的条件下,系统的宏观性质不随时间改变的状态,称为随时间改变的状态,称为平衡态。平衡态。3.3.状态参量状态参量3.1 3.1 状态参量:状态参量:描述热力学系统平衡态宏观性质的描述热力学系统平衡态宏观性质的物理量。物理量。例:例:p、T、V、E、S.3.2 3.2 气体状态参量:气体状态参量:压强压强(P)、体积、体积(V)、温度、温度(T)压强(压强(p):作用于容器壁上单位面积的力。作用于容器壁上单位面积的力。体体积积(V):分分子子热热运运动动所所能能达达到到的的空空间间,即即容容器器体积。体积。单位:单位:
6、帕斯卡(帕斯卡(Pa)、)、大气压(大气压(atm)单位:单位:立方米(立方米(m3)、)、升(升(L)AB导热板导热板A A、B B 两两系系统统达达到到 热热平平衡衡 时时,两两系系统统具具有有一一个个共共同同的宏观性质的宏观性质 温度温度 。温温度度(T):互互为为热热平平衡衡的的系系统统所所具具有有的的的的一一个个共共同的宏观性质,称为系统的温度同的宏观性质,称为系统的温度 。温标:温标:温度的定量表示。温度的定量表示。摄氏温标:摄氏温标:t(0C)热力学温标:热力学温标:T(K)大爆炸后的宇宙温度大爆炸后的宇宙温度1039K实验实验室能室能够够达到的最高温度达到的最高温度108K太阳
7、中心的温度太阳中心的温度1.5107K太阳表面的温度太阳表面的温度6000K地球中心的温度地球中心的温度4000K水的三相点温度水的三相点温度273.16K微波背景微波背景辐辐射温度射温度2.7K实验实验室能室能够够达到的最低温度达到的最低温度(激光制冷)(激光制冷)2.410-11K一些典型的温度值一些典型的温度值4.4.状态方程状态方程4.1 4.1 状状态态方方程程:状状态态参参量量(P,V,T)之之间间的的关关系,即系,即f(P,V,T)=04.2 4.2 理想气体状态方程理想气体状态方程PV=RT气体普适常量气体普适常量作业:作业:9-11.1.气体分子热运动的微观模型气体分子热运动
8、的微观模型 1 1)气体系统由大量的分子组成。)气体系统由大量的分子组成。2 2)每每个个分分子子都都在在作作不不停停的的运运动动热热运运动动。由由于于分分子之间频繁的碰撞,分子的运动是杂乱无章的。子之间频繁的碰撞,分子的运动是杂乱无章的。3 3)气气体体分分子子之之间间的的相相互互作作用用力很小(一般可忽略)。力很小(一般可忽略)。个个别别分分子子的的运运动动是是杂杂乱乱无无章章的的,但但大大量量分分子子运运动的集体表现存在着一定的统计规律。动的集体表现存在着一定的统计规律。2 2分子热运动的统计规律分子热运动的统计规律例:例:1.1.掷骰子掷骰子2.2.伽尔顿板实验伽尔顿板实验统计物理关心
9、两件事:统计物理关心两件事:1.分布分布2.平均值平均值1)分分子子本本身身的的线线度度比比起起分分子子间间的的间间距距小小得得多多而而可可忽略不计。忽略不计。2)除除了了碰碰撞撞的的瞬瞬间间外外,分分子子之之间间以以及及分分子子与与容容器器壁之间的相互作用力可忽略不计。壁之间的相互作用力可忽略不计。3)分分子子之之间间以以及及分分子子与与容容器器壁壁之之间间的的碰碰撞撞都都是是弹弹性性碰撞碰撞3.3.理想气体的微观模型理想气体的微观模型 理理想想气气体体分分子子可可视视为为自自由由的的、无规则运动的弹性质点群。无规则运动的弹性质点群。1 1气体分子速率分布气体分子速率分布 离散:离散:连续:
10、连续:分布函数分布函数分布函数分布函数 fO v vv+dv fO v v1 v2v3v4v52 2麦克斯韦速率分布麦克斯韦速率分布 处处于于平平衡衡态态下下的的理理想想气气体体系系统统,分分子子速速率率在在vv+dv区间内的分子数占总分子数的百分比为区间内的分子数占总分子数的百分比为其中其中k1.381023 J/K为为玻玻尔尔兹兹曼常数。曼常数。f(v)的性质:的性质:1)存在最可几速率)存在最可几速率vp2)T增大,速率大的分子数增多,增大,速率大的分子数增多,vp增大增大3)f(v)满足归一化条件:满足归一化条件:fO v vp1T1 T2vp23.3.三个统计速率三个统计速率麦克斯韦
11、麦克斯韦Maxwell,JamesClerk(18311879)英英国国物物理理学学家家。经经典典电电动动力力学学的的创创始始人人,统统计计物物理理学学的的奠奠基基人人之之一一。1831 1831 年年 6 6月月1313日日生生于于爱爱丁丁堡堡,1879 1879 年年1111月月5 5日日卒卒于于剑剑桥桥。184718471850 1850 年年在在爱爱丁丁堡堡大大学学学学习习,1850 1850 18541854年年入入剑剑桥桥三三一一学学院院攻攻读读数数学学。1856185618601860年年担担任任阿阿伯伯丁丁郡郡的的马马里里查查尔尔学学院院教教授授。186018601865186
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