第6章 气体动理论基础

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一、理想气体分子模型和统计假设
1.理想气体的分子模型: 理想气体的分子模型: 理想气体的分子模型 (1) 分子可以看作质点。 分子可以看作质点。 (2) 除碰撞外,分子力可以略去不计。 除碰撞外,分子力可以略去不计。 (3) 分子间的碰撞是完全弹性的。 分子间的碰撞是完全弹性的。 理想气体的分子模型是弹性的自由运动的质点。 理想气体的分子模型是弹性的自由运动的质点。 2.平衡态时,理想气体分子的统计假设: 平衡态时,理想气体分子的统计假设: 平衡态时 (1) 无外场时,气体分子在各处出现的概率相同。 无外场时,气体分子在各处出现的概率相同。 分子的数密度n处处相同 即分子的数密度 处处相同 dN N dV (宏观小 微观大 宏观小,微观大 宏观小 微观大) n= = dV V (2) 由于碰撞,分子可以有各种不同的速度,速度 由于碰撞,分子可以有各种不同的速度, 取向各方向等概率。 取向各方向等概率。
•规定:水的三相点温度为 T3=273.16K 规定: 规定 K (Kelvin) 温度单位为
pV T = 273.16 p3V3
的范围有效。 在 > 0.5K的范围有效。 的范围有效
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(2) 热力学温标 一种与测温质和测温特性无关的温标。 一种与测温质和测温特性无关的温标。 开尔文在热力学第二定律的基础上建立了这种温 称热力学温标。 标,称热力学温标。 • 是从热量的角度来定义的 它不依赖测温物质及其 是从热量的角度来定义的,它不依赖测温物质及其 热量的角度来定义的 测温属性,在所有范围适用. 测温属性,在所有范围适用 • 规定:水的三相点 T3=273.16 K 规定: 单位 K 在有效范围内理想气体温标 = 热力学温标
N
2 υix ∑ i=1
N
N
2 =υx
N =n l1l2l3
1 p = nm = nm 2 υ υ 3 2 p = nw 3
分子的平均平动动能
1 w= m 2 υ 2
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压强是对大量分子的分子数密度和分子平均平 压强是对大量分子的分子数密度和分子平均平 分子数密度和分子 动动能的统计平均结果 的统计平均结果。 动动能的统计平均结果。 —这就是宏观量 与微观量之间的关系 这就是宏观量p与微观量之间的关系 这就是宏观量 压强只有统计意义。 压强只有统计意义。 对少量分子或个别分子上述公式不成立。 对少量分子或个别分子上述公式不成立。 *气体压强与大气压强的区别: 气体压强与大气压强的区别: 气体压强是容器壁的单位面积上受到的大量分 子碰撞冲力的时间平均值. 子碰撞冲力的时间平均值 大气压强是空气重量所致
p = nkT
玻尔兹曼常数 k =
R = 1.38 × 10 −23 J ⋅ K −1 N0
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两个相同的容器装有氢气,以一细玻璃管相连通, 例. 两个相同的容器装有氢气,以一细玻璃管相连通, 管中用一滴水银作活塞,如图所示. 管中用一滴水银作活塞,如图所示.当左边容器的温 度为 0℃、而右边容器的温度为 ℃时,水银滴刚好 ℃ 而右边容器的温度为20℃ 在管的中央.试问, 在管的中央.试问,当左边容器温度由 0℃增到 5℃、 ℃ ℃ 而右边容器温度由20℃增到30℃ 而右边容器温度由 ℃增到 ℃时,水银滴是否会移 如何移动? 动?如何移动? 右两边氢气的压强相等、 解:左、右两边氢气的压强相等、 体积也相等, 体积也相等,两边气体的状态方 程为: 程为:
描述 对应
一个平衡态
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状态方程: 或称物态方程) 状态方程 态参量之间的函数关系 (或称物态方程 。 或称物态方程
f ( p, V , T ) = 0
状态图: 状态图 平衡态还常用坐标中的一个点来表示 (p-V图、p-T图、V-T图) - 图 - 图 - 图
p A(p1,V1,T1) B(p2,V2,T2) 0 V
V1/ M1 T1/ 293 278 = ⋅ / = =0.9847 <1. . / V2 M 2 T2 273 303

V1′ < V2′
水银将向左边移动少许. 水银将向左边移动少许.
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1. 平衡态 宏观量与微观量 状态参量与状态方程 2.温度概念 温度概念 热力学第零定律: 热力学第零定律 T = t + 273.15 3.理想气体状态方程 理想气体状态方程
i
l1 A1 l2 x l3
υiz
z
υix
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1.一个 分子碰撞一次给 1的冲量 一个i分子碰撞一次给 一个 分子碰撞一次给A r 受的冲量为 i分子速度为 υi ,受的冲量为 : 分子速度为
y mυix A2 0 -mυix l1 A1 x
(−mυix ) − mυix = −2mυix
器壁受的冲量为: 器壁受的冲量为: 2mυix 2. dt时间内 的分子对 1的冲量 时间内i的分子对 时间内 的分子对A
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§6.1 平衡态 温度 理想气体状态方程 一. 平衡态
1.热力学系统分类 热力学系统分类 (1)孤立系统:与外界无能量和物质交换 孤立系统: 孤立系统 (2)封闭系统:与外界有能量但无物质交换 封闭系统: 封闭系统 (3)开放系统:与外界有能量和物质交换 开放系统: 开放系统 2.平衡态 平衡态 在不受外界影响的条件下,系统的宏观性质 在不受外界影响的条件下, 不随时间变化的状态。 不随时间变化的状态。 说明: 说明: •平衡态是一种理想状态 平衡态是一种理想状态 孤立系统不存在, 孤立系统不存在,系统只能是近似平衡态
M pV = RT M mol
p = nkT
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§6.2 理想气体压强公式
典型的微观研究方法, 典型的微观研究方法 在此注意两个问题 1.气体动理论的基本观点 气体动理论的基本观点 •宏观物体由大量分子、原子构成,分子间 宏观物体由大量分子、原子构成, 宏观物体由大量分子 有一定的间隙; 有一定的间隙; •分子永不停息地作无规则运动 — 热运动 分子永不停息地作无规则运动 •分子间有一定相互作用力。 分子间有一定相互作用力。 分子间有一定相互作用力 2.理想气体的微观假设 微观模型 理想气体的微观假设(微观模型 理想气体的微观假设 微观模型) ♦对单个分子的力学性质的假设 对单个分子的力学性质的假设 ♦对分子集体的统计假设 对分子集体的统计假设 ♦统计规律的特点 统计规律的特点
∑N
i
2 υy =
i
∑N
i
υ z2 =
2 N iυ iz ∑ i
i
∑N
i
i
2 2 υ 2 = υ x + υ y + υ z2
υx
2
1 2 =υ =υ = υ 3
2 y 2 z
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* 3.统计规律的特点 统计规律的特点 大量偶然事件从整体上反映出来的一种规律性。 大量偶然事件从整体上反映出来的一种规律性。 (1) 只对大量偶然的事件才有意义 (2)它是不同于个体规律的整体规律 它是不同于个体规律的整体规律 (量变到质变 量变到质变) 量变到质变 (3)总是伴随着涨落 总是伴随着涨落
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(3)* 摄氏温标 t 1大气压下,冰化为水定为 t = 0 ℃ 大气压下, 大气压下 水变为水蒸汽定为 t =100 ℃ 水的三相点测得 t 3= 0.01 ℃ t =(T - 273.15)℃ ∴ ( ) (4) * 华氏温标 tF
9 t F = ( 32 + t ) ° F 5
水的冰点 t F = 32° F 水的沸点 t F = 212° F
tF = 100 ° F → t = 37.8 ° C
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三.理想气体状态方程 理想气体状态方程
M pV = RT M mol
克拉珀龙方程
R=8.31(J/mol-1﹒K-1) 理想气体状态方程的另一形式
Q M = Nm
M mol = N A m
NA=6.022×1023 ×
M N R p= RT = T ⋅ V ⋅ M mol V NA
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二、理想气体的压强公式
设平衡态下,同种气体分子质量为 , 设平衡态下,同种气体分子质量为m,总分子 体积V 数N ,体积 。
N n= V
— 分子数密度(足够大) 分子数密度(足够大)
平衡态下器壁各处压强相同, 面求其所受压强。 平衡态下器壁各处压强相同,选A1面求其所受压强。
y A2 0
r υiy υ
第6章 气体动理论基础 章
§6.1 §6.2 §6.3 §6.4 §6.5 §6.7 平衡态 温度 理想气体状态方程 理想气体压强公式 温度的统计解释 能量均分原理 理想气体内能 麦克斯韦分子速率分布定律 平均碰撞频率和平均自由程
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研究热现象的微观实质, 研究热现象的微观实质,根据物质 的分子结构建立起各宏观量与微观量之 间的关系。 间的关系。
i分子相继与 1面碰撞的时间间隔 υ 分子相继与A 分子相继与 ix υixdt dt内i分子碰撞A1的次数 分子碰撞 内 分子碰 dt内器壁受的冲量为: 内器壁受的冲量为:
υixdt
2l1
m ixdt υ2 υ Iix = ⋅ 2m ix = 2l1 l1
2l1
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3. dt内所有 个分子对 1的总冲量 内所有N个分子对 内所有 个分子对A
Ix = ∑
i N
υ2 m ixdt l1
4.在单位时间整个气体对器壁的压强 在单位时间整个气体对器壁的压强 A1受的平均冲力
N
Ix N m ix υ2 F = =∑ x dt l1 i
F m 2 i=1 p= x = υix = ∑ l2l3 l1l2l3 i=1 l1l2l3N
2 x
m ∑ ix N υ2
p1V1 = M1 RT1 M mol
M2 p2V2 = RT2 M mol
H2 0℃ H2 20℃
由p1= p2得:
V1 M1 T1 = ⋅ V2 M 2 T2
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开始时V 开始时 1= V2,则有
M1 T2 293 = = M 2 T1 273
当温度改变为T 当温度改变为 /1=278 K,T/2=303 K时,两边体 , 时 积比为
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广延量(有累加性 : 广延量 有累加性):如M、V、E … 有累加性 、 、 强度量(无累加性 : 强度量 无累加性):如p、T … 无累加性 、 微观量: 描述系统内个别微观粒子特征的物理量。 微观量 描述系统内个别微观粒子特征的物理量。 (一般只能间接测量 一般只能间接测量) 一般只能间接测量 例如:分子的质量、速度、动量、体积、 例如:分子的质量、速度、动量、体积、能量等 微观量与宏观量有一定的内在联系。 微观量与宏观量有一定的内在联系。 状态参量: 描述系统平衡态的相互独立的一组宏观量。 状态参量 描述系统平衡态的相互独立的一组宏观量。 如:气体的 (p、V、T) 、 、 一组态宏 观参量
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定义: 定义 处在相互热平衡状态的系统所具有的共同的 宏观性质叫温度。 宏观性质叫温度。 • 一切处于同一热平衡态的系统有相同的温度 2.温标 温标 温度的数值表示法 (1) 理想气体温标 •测温物质 测温物质: 测温物质 •测温特性: 测温特性: 测温特性 理想气体
T pV = T3 p3V3
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• 平衡态系统宏观物性既稳定又均匀 力学平衡、热 平衡态系统宏观物性既稳定又均匀(力学平衡 力学平衡、 平衡、相平衡和化学平衡)。 平衡、相平衡和化学平衡 。 注意区分平衡态与稳定态
绝热壁 系统 平衡态 恒温器1 恒温器1 T1 系统 稳定态 恒温器2 恒温器2 T2
• 从微观的角度应理解为动态平衡态 总之, 平衡态是热学中的一个理想化模型。 总之, 平衡态是热学中的一个理想化模型。 3.热力学系统的描述 热力学系统的描述 宏观量: 平衡态下用来描述系统宏观属性的物理量。 宏观量 平衡态下用来描述系统宏观属性的物理量。 (可直接测量 可直接测量) 可直接测量
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v v v υ i = υ ix i + υ iy j + υ iz k r
z
∑Nυ υ = ∑N υx =υy =υz = 0
i ix i x i i
υi Ni
υi Ni
x
r
r
y
υ =Fra Baidu bibliotekυ +υ +υ
2 i 2 ix 2 iy
2 υx = 2 N iυ ix ∑ i
2 iz
2 N iυ iy ∑ i
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二.温度
1.温度概念 温度概念 温度表征物体冷热程度的宏观状态参量。 温度表征物体冷热程度的宏观状态参量。 温度概念的建立是以热平衡为基础
C A B A C B
实验表明: 实验表明: 若A与C热平衡 与 热平衡 则A与B必然热平衡 与 必然热平衡 B也与 热平衡 也与C热平衡 也与 热力学第零定律: 热力学第零定律 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡, 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡,那 热平衡定律)。 么,这两个系统彼此也处于热平衡 (热平衡定律 。 热平衡定律
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