气体固体和液体的基本性质

器壁 A1所受平均冲力
F v2x Nm x
气体压强
p
F yz
Nm xyz
v2x
统计规律
n N xyz
v
2 x
1 3
v2
分子平均平动动能
k
1 mv2 2
p
2 3
n k
压强的物理意义 统计关系式 宏观可测量量
p
2 3
n k
微观量的统计平均值
分子平均平动动能
k
1 2
mv2
气体的压强等于大量分子在单位时间内施加在单位 面积器壁上的平均冲量。
§9-1 气体动理论 理想气体模型
一、气体的分子状况
1、分子具有一定的质量和体积 1mol气体系统的分子数：6.022×1023mol-1
阿伏伽德罗常数：1 mol 物质所含的分子（或原子） 的数目均相同 .
1mol氢气的总质量为：2.0×10-2kg ， 每个氢分子的质量则为：3.3×10-27kg
1）分子可视为质点； 线度 d ~ 10 10 m,
间距 r ~ 109 m, d r ;
2）除碰撞瞬间, 分子间无相互作用力；
3）弹性质点（碰撞均为完全弹性碰撞）；
4）分子的运动遵从经典力学的规律 .
三、理想气体状态的描述 1、气体系统的平衡态
一定量的气体，在不受外界的影响下, 经过一定的时间, 系统达到一个稳定的, 宏观性质不随时间变化的状态称为平 衡态 .（理想状态）
平衡态的特点
( p,V ,T )
p *( p,V ,T )
o
V
1）单一性（ p、T 处处相等）; 2）物态的稳定性—— 与时间无关； 3）自发过程的终点； 4）热动平衡（有别于力平衡），是一种理想状态
2、（状）态参量
描述系统状态的宏观物理量，称为态参量。
体积(V) 气体所能达到的最大空间（几何描述）. p,V ,T
4、分子之间存在分子力作用
假定分子间的相互作用力有球对称性时，分子间的相
互作用(分子力)可近似地表示为
f rs rt
(s t)
分子力
要 分表子当现力为 主r 斥 要力 表r0； 现时当为，引r分力子.r力0 时主，
F
o
r0 ~ 1010 m
r0
r
r 109 m, F 0
分子力
二、理想气体模型 理想气体的微观模型
其初级理论称为气体分子运动论(气体动理论) 优点：揭示了热现象的微观本质。 缺点：可靠性、普遍性差。
Nanjing University of Information Science & Technology
第九章 气体、固体和液体的基本性质
§9-1 气体动理论 理想气体模型 §9-2 理想气体压强和温度 §9-3 理想气体的内能 §9-4 麦克斯韦速率分布律 *§9-5 范德瓦耳斯方程 §9-6 气体内的输运过程 *§9-7 固体的性质及晶体结构的一般概念 *§9-8 晶体中粒子的相互作用 *§9-9 非晶态固体的结构和应用 *§9-10 液体和液晶的微观结构
热运动(thermal motion)：
微观粒子永恒的杂乱无章的运动。
热运动的研究方法：
1.宏观法. 最基本的实验规律逻辑推理(运用数学)
------称为热力学(thermodynamics)
优点：可靠、普遍。 缺点：未揭示微观本质。
2.微观法. 物质的微观结构 + 统计方法
------称为统计物理学(statistical physics)
气体的状态方程
T f ( p,V )
理想气体的状态方程 pV m RT M
或者写为 PV RT （克拉珀龙方程）
说明 (1) 理想气体的宏观定义：在任何条件下都严格遵守克拉
珀龙方程的气体； (2) 实际气体在压强不太高，温度不太低的条件下，可当作
理想气体处理。且温度越高、压强越低，精确度越高.
1mol水的体积为：18×10-6m3， 每个分子体积约 3.0×10-29m3
2、分子处于永不停息的热运动之中 分子热运动的一般形式：布朗运动。
例如：(1) 气体、液体、固体的扩散
水和墨水的混合
相互压紧的金属板
(
布
(2) 布朗运动
朗 运
动
)
3、分子之间以及分子与器壁之间进行着频繁碰撞
碰撞引起系统中动量的均匀化，同样碰撞还将引起系统 中分子能量的均匀化、分子密度的均匀化、分子种类的均匀 化等。与此相应，系统表现了一系列宏观性质的均匀化。
y
单个分子单位时间
施于器壁的冲量
A2o
z
- mmvvvxx
x
A1 y
zx
mvi2x x
大量分子总效应 单位时间 N 个粒子 对器壁总冲量
mvi2x ix
m x
i
vi2x
Nm vi2x x iN
wk.baidu.com
Nm x
v
2 x
器壁A1所受平均冲力 F v2x Nm x
y
A2o
z
- mmvvvxx
x
A1 y
zx
v
2 x
1 N
vi2x
i
各方向运动概率均等
v2x
v
2 y
v
2 z
1 v2 3
单个分子遵循力学规律
y
x方向动量变化
pix 2mvix
A2o
z
- mmvvvxx
x
A1 y
zx
分子施于器壁的冲量
2mvix
两次碰撞间隔时间
2x vix
单位时间碰撞次数 vix 2x
单个分子单位时间施于器壁的冲量 mvi2x x
§9-2 理想气体压强和温度
一、理想气体的压强公式
设 边长分别为 x、y 及 z 的长方体中有 N 个全
同的质量为 m 的气体分子，计算 A1 壁面所受压强 .
y
A2 o
z
- mmvvvxx
x
vy A1 y
o
z x vz
v vx
单个分子对器壁碰撞特性 : 偶然性 、不连续性.
大量分子对器壁碰撞的总效果 ： 恒定的、持续 的力的作用 .
单位：1m3 103 L 103dm3
压强(p) 作用于容器壁上单位面积的正压力（力学描述）
单位： 1Pa 1N m2
温度(T) 气体冷热程度的量度（热学描述）.
单位：温标 K（开尔文）. T 273.15 t
国际上规定水的三相点温度为273.16 K
3、理想气体物态方程
在平衡状态下，系统的V、p、和T 之间存在的关系， 称为系统的物态方程。
问 为何在推导气体压强公式时不考虑分子间的碰撞 ？
二、热力学第零定律
热动平衡的统计规律 （ 平衡态 ）
1）分子按位置的分布是均匀的 n dN N dV V
2）分子各方向运动概率均等
分子运动速度
vi
vixi
viy
j
viz
k
2）分子各方向运动概率均等
分子运动速度
vi
vixi
viy
j
viz
k
各方向运动概率均等 vx vy vz 0
x 方向速度平方的平均值