第2章-气体动理论3

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大学物理(第三版)热学 第二章

大学物理(第三版)热学 第二章

一、 理想气体的微观图象
1. 质点 P nkT P 0
在 T 一定的情况下 n 值小 意味着分子间距大 2 .完全弹性碰撞
3. 除碰撞外 分子间无相互作用 f=0
范德瓦耳斯力(简称:范氏力)
f
斥力
合力
r0
O
s
10 -9m r
d
引力
分子力
气体之间的距离
r 8r0 引力可认为是零 可看做理想气体
第3步:dt时间内所有分子对dA的冲量
dI dIi ix 0
1 2
i
dIi
nimi2xdtdA
i
dIi
2ni mi2xdtdA
第4步:由压强的定义得出结果
P

dF dA

dI dtdA

i
ni
m
2 ix
i dA
ixdt
P

dF dA

dI dtdA
2. 气体分子的自由度
单原子分子 双原子分子 多原子分子
i3 i5 i6
二、 能量按自由度均分原理 条件:在温度为T 的平衡态下 1.每一平动自由度具有相同的平均动能
1 2
kT

1 3

3 2
kT

1 2
m
1
3
2

1 2
m
2 x

1 2
m
2 y

1 2
m
2 z
每一平动自由度的平均动能为 1 kT
2
2.平衡态 各自由度地位相等
每一转动自由度 每一振动自由度也具有 与平动自由度相同的平均动能 其值也为 1 kT

气体动理论

气体动理论

第十三章 气体动理论本章从理想气体的微观组成出发,假以统计性假设,推出理想气体的压强和温度公式,揭示了压强和温度的本质;提出了理想气体内能的概念,介绍了理想气体能量按自由度均分原理;阐述了理想气体的麦克斯韦速率分布率。

这称为气体动理论。

气体动理论的产生和发展凝聚了众多物理学家的智慧和心血。

早在1678年,胡克就提出了气体压强是由大量气体分子与器壁碰撞的结果的观点。

之后,在1738年,伯努利根据这一观点推导出压强公式,并且解释了玻意耳定律。

1744年,俄国的罗蒙诺索夫提出了热是分子运动表现的观点。

在19世纪中叶,气体动理论经克劳修斯、麦克斯韦和玻耳兹曼的努力而有了重大发展。

1858年,克劳修斯提出气体分子平均自由程的概念并导出相关公式。

1860年,麦克斯韦指出,气体分子的频繁碰撞并未使它们的速度趋于一致,而是达到稳定的分布,导出了平衡态气体分子的速率分布和速度分布。

之后,麦克斯韦又建立了输运过程的数学理论。

1868年,玻耳兹曼在麦克斯韦气体分子速率分布律中又引进重力场。

第一节理想气体状态方程一、状态参量1.状态参量概念如何描述系统的冷热变化规律,这就需要一些物理量。

假设气体的质量为 m ,其宏观状态一般可以用气体的压强p 、体积V 和温度T 三个物理量来描述。

如果在热力学过程中伴随着化学反应,还需要物质的量、摩尔质量 、物质各组分的质量等物理量来描述。

如果热力学系统处于磁场中,还需要电场强度E 、电极化矢量P 、磁场强度H 和磁化强度M 等物理量来描述。

选择几个描写系统状态的参量,称为状态参量。

2.状态参量分类按照不同的划分标准,状态参量可作如下划分:(1)按状态参量描写系统的性质划分可分为:V P E P H M几何参量:描述系统的空间广延性。

如体积 。

力学参量:描述系统的强度。

如压强 。

化学参量:描述系统的化学组分。

如各组分的质量,物质的量。

电磁参量:描述系统的电磁性质。

如电场强度 ,电极化强度 ,磁场强度 ,磁化强度 。

气体动理论

气体动理论
压强是大量分子对器壁冲量的统计平均效果,单个 分子的压强没有意义。
17
§2.1.3理想气体的温度
1.宏观意义:冷热程度,是决定某一系统 与另一系统是否处于热平衡的宏观标志。
2.微观意义:由状态方程可得
pV = N RT NA
状态方程:
p=
N V
R NA
T = nkBT
波尔兹曼常数:
kB
=
R NA
= 1.38 10-23 J
K -1
18
温度的统计意义
p = 2 nω 3
p = nkT
ω = 3 kT 2
此式称为理想气体分子温度公式. 温度的统计意义:
(1)温度是分子平均平动动能的量度,反映无 规则热运动的剧烈程度;
(2)温度是大量分子集体表现,对个别分子 温度没有意义。
相等。
2.气体分子沿各方向运动的概率相等 即分子速度在各方向上分量的各种平均值相
等。
在直角坐标系中有: vx2 = vy2 = vz2
vx2 + vy2 + vz2 = v2
vx2
=
vy2
=
vz2
=
1 v2 3
11
§2.1.2理想气体的压强
1.产生
固体、液体的 :重力原因 气体压强:大量分子不断碰撞的结果。
单个分子碰撞器壁的作用力是不 连续的、偶然的、不均匀的。从 总的效果上来看,分子碰撞对器 壁产生一个持续的平均作用力。
PA=F/SA
12
2 .理想气体压强公式的导出
公式导出 见图:

PA=F/SA
长方形容器内分子总数为N。
设分子质量为m,速率为vx、vy、vz;

《大学物理学》(网工)气体的动理论部分练习题(解答)

《大学物理学》(网工)气体的动理论部分练习题(解答)



然 速 率 为 ___________ ; 氧 气 分 子 的 最 概 然 速 率 为
___________。
【 提 示 : P 2RT 。 由 于 温 度 一 样 , 而 P1 P2 , ∴ O
M mol
2000
(m s1)
M1 M 2 ,可判明曲线Ⅰ是氧气、曲线Ⅱ是氢气,氢气的最概然速率为 (P )H2 2000 m / s ;
(A)氧分子的质量比氢分子大,所以氧气的压强一定大于氢气的压强;
(B)氧分子的质量比氢分子大,所以氧气的数密度一定大于氢气的数密度;
(C)氧分子的质量比氢分子大,所以氢分子的速率一定大于氧分子的速率;
(D)氧分子的质量比氢分子大,所以氢分子的方均根速率一定大于氧分子的方均根速率。
【提示:氢气和氧气不同的是其摩尔质量, M O2 M H2 ,由公式 P nkT ,所以 PO2 PH2 ;某一分

M M mol
,m
M mol NA
,有A】
拓展题:若理想气体的体积为V,压强为P,温度为T,一个分子的质量为m,k为玻耳兹曼常
量,R为摩尔气体常量,则该理想气体的分子数为 ( B )
(A) PV / m ; (B) PV /(kT ) ; (C) PV /(RT ) ; (D) PV /(mT ) 。
5 . 一 容 器 内 的 氧 气 的 压 强 为 1.01 105 P a , 温 度 为 37℃ , 则 气 体 分 子 的 数 密 度

M mol
RT
1.60

M mol
2
3RT
pV RT
M mol
,考虑到
M
M mol

热力学-3.气体分子动理论速率与能量

热力学-3.气体分子动理论速率与能量

1.59 RT M
一般用于计算分子运动的平均距离;
同理,方均根速率

v2 v2 f (v)dv
3kT
3RT 1.73 RT
0
m
M
M
方均根速率用来计算分子平均动能。
最概然速率
2kT 2RT
RT
vp
m
1.41
M
M
最概然速率用在讨论分子速率分布。
f(v)
O
vp v v2
•在气体动理论方面,他提出气体分子按 速率分布的统计规律。
1。由于分子受到频繁的碰撞,每个分子热运动的速率是变化的, 要某一分子具有多大的运动速率没有意义,所以只能估计在某 个速率间隔内出现的概率;
2。哪怕是相同的速率间隔,但是不同的速率附近,其概率是不 等的。
速率接近为0的可能性很小,速率非常大的可能性也很小, 而居中速率的可能性则较大。
f (v) dN Ndv
速率分布函数
理解分布函数的几个要点: 1.条件:一定温度(平衡态)和确定的气体系统,T和m是一定的;
2.范围:(速率v附近的)单位速率间隔,所以要除以dv; 3.数学形式:(分子数的)比例,局域分子数与总分子数之比。
f (v)dv dN N
N v1 v2
v2
f (v)dv
第三章 气体分子热运动 速率和能量的统计分布律
内容回顾
第一章 平衡态和温度 第二章 压强和温度的微观本质
平均效果
气体分子按速率分布的统计规律最早是由麦克斯韦于
1859年在概率论的基础上导出的,1877年玻耳兹曼由经典统 计力学中导出,1920年斯特恩从实验中证实了麦克斯韦分子 按速率分布的统计规律。

气体动理论-2

气体动理论-2
对非刚性的双原子和多原子分子,还须考虑振动自 由度(视温度而定)。
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二、能量均分定理
分子的平均平动动能:
kt
1 2
m v2
1 2
m
vx2
1 2
m vy2
1 2
m
vz2
3 kT 2
vx2
v2y
vz2
1 v2 3
1 2
m vx2
1 2
m vy2
1 2
m vz2
1 2
kT
分子的平均平动动能 3kT/2 是均匀地分配在每个
§3-3 能量均分定理 理想气体的内能
一、分子的自由度
自由度 ( i ): 决定某物体在空间的位置所需要的 独立坐标数目。
质点: (x, y, z)
i=3
做直线运动的质点: 做平面运动的质点: 做空间运动的质点:
1个自由度 2个自由度 3个自由度
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运动刚体的自由度: 随质心的平动+绕过质心轴的转动 自由刚体有 6个自由度:
(t r 2s) 1 kT
2
返回 退出
三、理想气体的内能
气体的内能:气体中所有分子的热运动能量和分 子间相互作用势能的总和。
理想气体内能:气体中所有分子的平均能量的总和。
1mol 理想气体的内能: (只考虑刚性分子)
Emol
NA
i 2
kT
i 2
RT
质量为m',摩尔质量为M的理想气体内能:
E
率在 v 附近单位速率区间 的分子数占总
数的百分比 .
f (v)dv 的物理意义:
表示速率在v v dv区间的分 子数占总分子数的百分比.
速率在v v dv内分子数:dN Nf (v)dv

第二章气体动理论

第二章气体动理论

第二章气体动理论1-2-1选择题:1、处于平衡状态的一瓶氮气和一瓶氮气的分子数密度相同,分子的平均平动动能也相同,都处于平衡态。

以下说法正确的是:(A )它们的温度、压强均不相同。

(B )它们的温度相同,但氮气压强大于氮气压强。

(C)它们的温度、压强都相同。

(D)它们的温度相同,但氮气压强小于氮气压强。

2、三个容器A、B、C中装有同种理想气体其分子数密度n相同方均根速率之比J而:J冏:J冏 = 1:2:4 ,则其压强之比p A:p B: p c为:(A)1: 2 : 4 (B) 1: 4 : 8 (C) 1: 4 :16 (D) 4 : 2 :13、一走星的理想气体贮于某一容器中,温度为T.气体分子的质呈为m.根据理想气体的分子模型和统计假设,分子速度在x方向的分呈平方的平均值为:m4、关于温度的意义,有下列几种说法:(1)气体的温度是分子热运动平均平动动能的星度.(2)气体的温度是大呈气体分子热运动的集体表现,具有统计意义.(3)温度的高低反映物质内部分子热运动剧烈程度的不同.(4)从微观上看,气体的温度表示每个气体分子的冷热程度.上述说法中正确的是(A ) (1). (2)、(4) (B) (1). (2)、(3)(C) (2)、(3)、(4) (D)⑴、(3)、(4)5、两容器内分别盔有氢气和氮气,若它们的温度和质呈分别相等,则:(A) 两种气体分子的平均平动动能相等.(B) 两种气体分子的平均动能相等.(C) 两种气体分子的方均根速率相等.(D) 两种气体的内能相等.6、一容器内装有M 个单原子理想气体分子和M 个刚性双原子理想气体分子,当该系统处在温度为厂的平衡态7、有一截面均匀的封闭圆筒,中间被一光滑的活塞分割成两边,如果其中的一边装有0.1kg 某一温度的氢气, 为了使活塞停留在圆筒的正中央则另一边应装入同一温度的氧气质臺为:(A ) 丄 kg (B) 0.8 kg (C ) 1.6 kg (D) 3.2 kg16&若室内生火炉以后,温度从15°C 升高到27°C ,而室内的气压不变,则此时室内的分子数减少了 :(A) 0.5% (B) 4% (C) 9% (D) 21%9、有容积不同的A x B 两个容器,A 中装有单原子分子理想气体,B 中装有双原子分子理想气体。

第2章 气体动理论

第2章 气体动理论

按位置的分布是均匀的:
dN N n dV V
包含足够多分子 “宏观小微观大”
每个分子运动速度取向沿任意方向的概率都相等,即分 子速度平方按方向的分布是均匀的:
1 2 v v v v 3
2 x 2 y 2 z
v
2
2 2 2 vx v y vz

2 x
2 ix N i i
, vN 1, x , vN , x
第 i 组的Ni个分子具有相同的速度分量,记为vix: v N1 ,, Ni1 1x v N1 ,, Ni1 2x v N1 ,, Ni x vix 且有 N1 N2 Ni N 或
§2-1 理想气体的压强
道尔顿分压定律
设几种气体储于一密闭容器中,并处于平衡态, 且分子数密度分别为 n1 、n2 、 n3 、 … , 则 混合气体的分子数密度为
n n1 n2
温度相同,故
1 2 ...
混合气体的压强为
p1 p2
2 2 2 p n n11 n2 2 3 3 3
定理——在温度为T 的平衡态下,气体分子每一个自由度
的平均动能都相等,且等于 1 kT。 2 一般地:
在温度 T 的平衡态下,分子能量表达式中任何 一个平方项的统计平均值都等于 1 kT 。 2
§2-3 能均分定理
一个分子的能量,总能写成关于坐标和速度 的平方项之和:
2 1 质心平动动能: m (v x v 2 v z2 ) y
第二章 气体动理论
Kinetic Theory of Gases
本章主要内容
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4 §2-5 §2-6 §2-7 §2-8 §2-9 理想气体的压强 温度的微观意义 能均分定理 Maxwell速率分布律 Boltzmann分布律 实际气体等温线 Van der Waals方程 平均碰撞频率和平均自由程 输运过程
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i kT 2
k 1.38 1023 J / K
推广:气体分子有 t个平动自由度、r个转动自由度、s个振动 自由度,则分子的平动、转动、振动动能分别为:
t kT , 2
r kT , 2
s kT 2
气体分子的平均总动能为:
1 t r s kT 2
注意:本章中把气体分子都视为刚性分子来处理,忽略其振动 单原子分子气体(i=3)
2 2
D
任一速率区间1~2内的分子 数占总分子数的百分比为:
分布函数的 归一化条件
0
v2 N f ( v )dv v1 N
f ( v)
dN f ( v )dv N 1
S
o
v1 v2
v
C
注:如果能想到分子分母 同时乘以N的话,更快捷。
分子速率在vv+dv区间内的分子数为: dN 这些分子的速率总和为:
N=NAM / Mmol
Ek M mol EK t 8.27 1021 J N MN A
3 t kT 2
2 t T 3k
= 400 K
气体分子速率分布率
一. 速率分布函数 f ()
dN 表示速率分布在~ +d区间内的分子数占总分 f ( )d 子数的百分比。 N
绝对温度是分子热运动 剧烈程度的度量。
计算题 容器内有 M=2.66 kg 氧气,已知其气体分子的平动动能 总和是EK=4.14×105 J,求(1)气体分子的平均平动动能; (2)气体温度. (阿伏伽德罗常量NA=6.02×1023 /mol,玻尔兹曼常量k = 1.38×10-23 J· K-1 , 氧 气 的 摩 尔 质 量 Mmol=32×103kg/mol)
2. 理想气体的内能
由理想气体的微观模型可知,理想气体分子间没有相 互作用势能,故其内能为所有理想气体分子的总平均 动能和分子内部势能之和。 3. 常温下理想气体刚性分子的自由度为i=t+r,忽略了 分子内部的振动动能和振动势能,则每个分子的平均 i 1 总能量为平动动能和转动动能之和:
2 2
kT ( t r )kT
PV RT
平衡态:在不受外界条件影响下,经过足够长时间后孤立系统必将 达到一个宏观性质(即宏观参量)不随时间变化的状态。
阿伏伽德罗定律: 在相同压强和温度下,各种理想气体在相同的 体积内所含分子数相等。
P nkT
理想气体温度公式:
2 P n t 3 3 t kT 2
1 2 t mv 2
因此使得平动动能与转动动能达到相同,即每个
自由度上也平均分配了kT/2能量。
(二)、理想气体的内能
1. 实际气体的内能
气体内能:所有气体分子 的动能和势能的总和。
内能 —— 气体中 所有分子 各自由度的动能 ( 平动、转 动、振动 )与分子内部原子间的相互作用势能 (振动势 能),还包含分子间的相互作用势能。

x
z


C ( x, y, z )
y
3.多原子分子气体 例如:氨气(NH3)、水蒸气(H2O)、甲烷 (CH4)等多原子分子气体,其模型可用 多个刚性质点来代替。 平动自由度 转动自由度 总自由度 i



C ( x, y, z )
t3 r3 x tr 33 6

y
实际上,双原子分子和多原子分子都是非刚性的,分 子内原子的相对位置会发生变化,存在振动自由度。
双原子分子有一个振动自由度;
多原子分子(设原子数为n)最多可以有3n个自由度,其中3个 是平动、3个是转动,其余的3n-6个都是振动自由度。
非刚性理想气体分子的自由度为分子的平动、转动和 振动自由度之和。
3、能量按自由度均分定理
等概率假设:在热运动中,任何一种运动形式都不会 比另一种运动更占优势, ( 平动、转动、振动 )各种运 动形式机会均等。 在温度为 T 的热平衡系统,物质 ( 气体、液体和固体 ) 中分子的每一个自由度都具有相同的平均动能,且等 于kT/2。这就是能量按自由度均分定理,简称能量均 分定理。 如果气体分子具有 i个自由度,则每个分子的总平均动 能为:
vp
在同一温度下,分布曲线与气体分子质量 m有关。分子质量越小, 最概然速率越大。
平均速率:大量分子的速率的算术平均值
vf (v)dv
0
8kT 8RT kT RT 1.60 1.60 m m
方均根速率:气体分子速率平方的统计平均值的平方根
3kT 3RT 3kT 3RT kT RT 2 v 1.73 1.73 v f (v)dv m m m 0
z
C ( x, y, z )
转动自由度
总自由度
t3 r0 x i tr 30 3
y
2.双原子分子气体 例如 : 氢气 (H2)、氧气 (O2) 等双原子分子气 体,其模型可用两个刚性质点模型来代替。 平动自由度 转动自由度 总自由度
z
t3 r2 i tr 32 5
接访时间延长的通知
周五下午:2:00——4:00 地 点:科技楼301B
注:接访时间是固定答疑时间。其它时 间也可以答疑,请预先电话联系(校园网 短号670166)以确定老师是否在办公室。
前节回顾
理想气体在宏观定义和分子模型描述的 基础上,还遵守状态方程(理想气体平衡 态的宏观参量P、V、T间的函数关系)。
f ():表示分布在速率附近单位速率区间的分子数占总分子数 的百分比,是速率的函数,称为气体分子的速率分布函数 。
dN f ( )= Nd
v2 N f ( v )dv v1 N
0
dN f ( v )dv N 1
二、麦克斯韦速率分布律
m 3 / 2 2 m 2 / 2 kT f ( ) 4π( ) e 2πkT
f ( v ) Ndv
v2
dN Nf (v)dv
v2
分布在速率1~2区间的分子速率总和为
v2
v1 v2
dN Nf (v)dv
v1
分布在速率1~2区间的分子数
v1
dN Nf (v )dv
v1
分布在速率1~2区间的分子的平均速率呢?
§2-6 能量均分定理 理想气体的内能
i 1).一个分子的内能为: 2 kT i i 2).1 mol气体分子的内能为: E0 N A kT RT 2 2 M i i RT RT 3). M 千克气体的内能: E 2 2 3 E RT 单原子分子气体:
2 5 刚性双原子分子气体: E RT 2 6 刚性多原子分子气体: E RT 2 i 当温度变化T时 E RT 2
理想气体在平衡态下,分布在速率附近单位速率区间的分子数 占总分子数的百分比。是一个统计规律,仅适用于由大量分子 组成的平衡态的气体。
最概然速率(最可几速率): f()分布曲 线有一极大值(峰值)对应的速率
vp 2kT m 2 RT

1.41
kT RT 1.41 m
气体分子质量一定,分布曲线随温度而变。 温度升高,曲线峰值右移且高度下降,速 率小的分子数减小而速率大的分子数增多。
█ 一个质点在空间自由运动需要三个独立坐标(x, y, z)才能确 定其位置,因此质点具有三个自由度。 █ 若一个质点被限制在曲面或平面上运动,则只需两个独立 坐标,自由度数为2; █ 若质点被限制在直线或曲线上运动,则 只有一个自由度; 一个刚体的空间运动可以分解为质心平动和绕通过质心轴的 转动。 刚体位置的确定: ①. 质心位置的确定(x,y,z); ②. 转轴的方位的确定(两个独立的方位角, 或); cos2 cos2 cos2 1 ③. 旋转角的确定;
kT
3 2 5 kT 2 6 kT 2
双原子分子气体(i=5)
多原子分子气体(i=6)
只和温度 有关
能量均分定理的说明:
1)该定理是统计规律,只适用于大量分子组成的系统。 2)微观上是由于大量分子无规则碰撞的结果。 由于分子的激烈碰撞(几亿次/秒),使平动动能 与转动动能不断转换, 平动动能 转动动能
对于一定量的理想气 体,它的内能只是温 度的函数, 而且与热 力学温度成正比。
i 当温度变化dT时 dE RdT 2
例如: 物体沿一维直线运动,最少 只需一个坐标,则自由度数为1
x
轮船在海平面上行驶,要描写轮船 的位置至少需要两维坐标,则自由 度为 2。
但对于火车在轨道上行驶时自由度 是多少呢? —— 自由度是 1 (只需知道走了多 长路程),由于受到轨道限制有一 维坐标不独立。
飞机在天空中飞翔,要描写飞机的 空间位置至少需要三维坐标,则自 由度为 3。
分子的无规则热运动:分子作为质点,仅考虑分子 的平动。 实际上,一般分子具有:平动、转动、原子振动; 以下将讨论分子热运动的能量所遵循的统计规律;
内能
(一).能量按自由度均分原理
1.自由度
自由度是描述物体运动自由程度的物理量。
在力学中,自由度是指决定一个物体的空间位置所需 要的独立坐标数. 独立坐标数:描写物体位置所需的最少坐标数。

自由运动的刚体有:三个平 动自由度,三个转动自由度,共 6个自由度.
2、理想气体分子自由度
理想气体刚性分子(组成分子的原子之间无相对位置变化 )的自 由度为:分子的平动、转动自由度之和。
刚性气体分子的自 由度依分子的结构 不同而不同。 He
O2
H 2O
NH 3
1.单原子分子气体 例如:He、Ne、Ar,其模型可用 一个质点来代替。 平动自由度
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