kinetic theory of gas气体动力学理论
(大学物理课件)气体动理论
—气体压强公式
Ⅲ 温度的统计意义
由
p
2 3
n t
和p nkT
t
3 2
kT ,即T 和t
单值对应
由此给出温度的统计意义 —
T是大量分子热运动平均平动动能的量度。
t
1 2
mv 2
t
3 2
kT
v2 3kT m
3 RT
T,
v 2 称为方均根速率 (root-mean-square
Ⅳ 能量均分定理
2 . 理想气体
宏观上,满足理想气体状态方程的气体 微观假设: (1)大小 — 分子线度<<分子间平均距离; (2)分子力 — 除碰撞的瞬间,在分子之间
分子与器壁之间无作用力; (3)碰撞性质 — 弹性碰撞; (4)服从规律 — 牛顿力学。
二、等概率假设
(1)分子在各处出现的概率相同
ndNNcon.st dV V
dI dIi
(vix0)
1
2 i dIi
i
ni
mv
2 ix
d
t
d
A
(viy和viz可取任意值)
第4步:pd dF Add tdIA i nimvi2x
i
Ni V
mvi2x
V NmN Nivi2xnm v2x
1 nmv 2 3
由分子平均平动动能 t
1 2
mv 2
和p 1nmv2 3
有
p
2 3
n t
v — 振动自由度,
v=1
∴ 总自由度: i = t + r + v = 6
3. 多原子分子 (multi-atomic molecule)
如:H2O,NH3 ,…
气体动理论
气体动理论(kinetic theory of gases)是19世纪中叶建立的以气体热现象为主要研究对象的经典微观统计理论。
气体由大量分子组成,分子作无规则的热运动,分子间存在作用力,分子的运动遵循经典的牛顿力学。
根据上述微观模型,采用统计平均的方法来考察大量分子的集体行为,为气体的宏观热学性质和规律,如压强、温度、状态方程、内能、比热以及输运过程(扩散、热传导、黏滞性)等提供定量的微观解释。
气体动理论揭示了气体宏观热学性质和过程的微观本质,推导出宏观规律,给出了宏观量与微观量平均值的关系。
它的成功印证了微观模型和统计方法的正确性,使人们对气体分子的集体运动和相互作用有了清晰的物理图像,标志着物理学的研究第一次达到了分子水平。
大学物理第3章-气体动理论
二、方均根速率:与分子速率相关的一种统计平均值, 与分子运动的平均平动动能相联系。
1 2 3 m v kT 2 2
3kT v m
2
v2
3kT m
3 RT M
m为单个 分子质量 M为摩 尔质量
v
2
同一温度下,质量大的分子其方均根速率小。 如:
v 1836m / s
2
v 461m / s
p nkT
例: 一容器内装有气体,温度为 27 oC,问: (1) 压强为1.013105 Pa时,在 1 m3 中有多少个分子; (2) 在高真空时,压强为 1.3310-5 Pa,在 1 m3 中有多 少个分子? 解: 按公式 p = nkT 可知
p 1.013 105 3 25 3 (1) n = m 2 . 45 10 m kT 1.38 1023 300
x
vi
考虑容器壁上一面积元 dA,速度为 气体分子(这种速度的分子的数密度为 ni ) 在 dt 时间间隔内能与面积元 dA 发生碰撞 的数目为: N i ni vixdtdA
vi 的
பைடு நூலகம்
vxi
x dA
速度为 v i 分子在 dt 时间对 dA 的冲量为:
ni vixdAdt (2mv ix )
cos 2 cos 2 cos 2 1 所以只有两个独立坐标, 称为转动自由度, 表示为 r = 2。
z
x o
y
刚性双原子分子总自由度数:i = t + r = 3 + 2 = 5
三、刚性三原子分子 (如H2O)
z
2
考虑 3 号原子绕 1、2 号 连线转动,需一角量 , 为转动自由度。
大学物理课件第8章气体动理论(PPT 100页)
i i
v
2.分子速度分布的等几率假设 分子速度分布的 分子速度分布 速度取向各方向等几率 结果: 结果:
y
υi Ni
x
v
υ =0
v
υi Ni
v
z
υx = υy = υz
υ =υ =υ
2 x 2 y 2 z
υx
∑υ N = ∑N
ix i i i
i
i
2 υx =
2 υix Ni ∑
∑N
i
i
19
υ =0 υx = υy = υz
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 完全弹性碰撞 3. 除碰撞外 分子间无相互作用 分子间无相互作用 f=0 范德瓦耳斯力(简称:范氏力 范德瓦耳斯力 简称:范氏力) 简称
15
f
斥力 合力
气体之间的距离
r > 8 r0
s
10 -9m
r0
O d 引力
r
引力可认为是零 可看做理想气体
1
§0
统计规律初步 结果相同
1.统计规 统计规 方法: 律、方法: 多个粒子的一次行为 如:掷硬币 看正反面出现的比例 比例接近1/2 比例接近 统计规律性: 统计规律性:
一个粒子的多次行为
•大量随机事件从整体上表现出来的规律性 大量随机事件从整体上表现出来的规律性 量必须很大
2
飞镖
分布曲线
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分子力
范德瓦耳斯力
16
平衡态下气体分子集体行为 集体行为的几个结果 二、 平衡态下气体分子集体行为的几个结果 1.平衡态时 微观量分布的等几率假设的必要性 平衡态时 微观量分布的等几率假设 等几率假设的 •因为宏观量是某些微观量的平均值 因为宏观量是某些微观量的平均值 因为宏观量是某些 •平衡态时各处宏观量相同 平衡态时各处宏观量相同 所以用系统中 任何部分气体计算出的 微观量的平均值必须相同 •分子又是处于不断地无规的运动中 分子又是处于不断地无规的运动中 所以必须假设平衡态时微观量分布等几率 所以必须假设平衡态时微观量分布等几率
气体动理论Kinetic-Theory-of-Gases ppt课件
based on some experimental laws.
(2) Statistical Mechanics or physics(统计力学或统计 物理) : based on the mechanics law and the statistical(统计) theory.
§12-1 Essential Concepts of the Kinetic Theory of Gases 气体动理论的基本概念
研究方法 The studied object(对象) is :
a system
containing a vast(大量) number of particles:
molecules
The adopted methods are:
( 1 ) T h erm o d y n a m i cs ( 热 力 学 ) : s t u d y h e a t phenomena in the view of energy transformation
r0 10 m
10
§12-2 State Parameters Equilibrium State Ideal Gas law 状态参量 平衡态 理想气体状态方程 1. State Parameters of Gas 状态参量 For a gas, in order to describe its properties , three parameters (参数) are needed:
一、重要人物:
焦耳:J.P.Joule 1818-1889,英 国物理学家,职业是酿酒商。 是发现能量守恒与转换定律的 代表人物,英国皇家学会会员,
法国科学院院士。
卡诺:Carnot,1796~1832,法 国物理学家,工程师,热力学 奠基人,提出卡诺循环和卡诺 定理。
Chapter 8 kinetic theory of gases(1)
We expect the pressure to be reduced by a factor proportional to the density squared a(n / V )2
RT a P 2 V ( V / n ) ( b) n
a V (P )( b) RT 2 (V / n) n
Chapter 20 Kinetic theory of gases (气体动理论)
Key words and Terms
• • • • • • • • • • • Kinetic theory of gases thermal motion Boltzmann constant Maxwell distribution of speeds most probable speed root-mean-square speed average speed mean collision frequency mean free path macroscopic quantities microscopic quantities 气体动理论 热运动 玻耳兹曼常量 麦克斯韦速率分布 最概然速率 方均根速率 平均速率 平均碰撞频率 平均自由程 宏观量 微观量
* Van der Waals Equation of state (real gas)
PV nRT
(idea gas law)
Let b represent the “unavailable volume per mole” of gas.
V P(V nb) nRT P( b) RT n
PV costant(law of Boyle)
P costant(law of Charles) T V costant(law of Gay-Lussac) T
气体动理论-2
v p —— 讨论分子的速率分布时用
v
—— 讨论分子碰撞问题时用
18
4. 利用麦克斯韦速率分布函数计 算微观量的平均值 ①
物理量
0 ~ 整个速率范围(全体分子)的某一
x 的平均值
0
x xf (v )dv
v vf (v )dv
0
8 RT
19
②
理量 x 平均值
v1 ~ v2 速率范围内(部分分子)的某一物
如 t , 等; 还应该进 v
2
一步弄清分子按速率和按 能量等的分布情况。
麦克斯韦
整体上看,气体的速率分布是有统计规律性的。
6
描写分子的速率分布可以有两种方式: 一种是像前面那样用分立数据描写: v1, v2 … vi … N1,N2 … Ni …
Ni
0
vi
这种描写既繁琐,又不能很好地体现统计 的规律性。 7
17
3. 方均根速率(root-mean-square speed) (麦) 3kT 2 2 v v f (v ) d v m 0 3kT 3 RT 2 v (与前同) m M 8 2 vp : v : v 2 : : 3 1.41 : 1.60 : 1.73 π 2 —— 讨论分子平均平动动能时用 v
2
一 . 理想气体的微观假设 1.关于每个分子的力学性 2.关于大量分子的统计假设(对平衡态) 质 二. 理想气体压强公式的推导
2 p n t 3
— 气体压强公式
三 方均根速率
v
2
3kT 3 RT m M
3
温度的统计意义:
T是大量分子热运动平均平动动能的量度。 四 . 能量均分定理 分子热运动的每一 在温度为T 的平衡态下, 1 个自由度所对应的平均动能都等于 kT 2 i 分子平均能量 kT 2
气体动理论的基本观点
14.2 气体动理论的基本观点
克劳修斯提出了理想气体 分子运动模型、引进统计 概念推导理想气体压强公 式,引进平均自由程概念 解决气体扩散速度的疑难 问题;
麦克斯韦于1859年发现 分子热运动的无规性,并 在几率概念的基础上用统 计方法导出了麦克斯韦速 率分布律;
第14章 气体动理论
4
14.2 气体动理论的基本观点 第14章 气体动理论
动的不规则性。 [D] 布朗运动随液体温度的降低而愈激烈。
22
14.2 气体动理论的基本观点 第14章 气体动理论
问题3、对于气体分子热运动服从统计规律的 正确理解是:
[A] 大量无序运动的气体分子组成的系统在 总体上所呈现的规律性,称为统计规律性。
[B] 统计规律对所含分子数极少的系统仍然 适用。
伽尔顿板实验
小球在伽尔顿 板中的分布规律:
中央多,两端少
每个小球落入哪个 槽是偶然的;
............ ........... ............ ........... ............ ........... ............
少量小球按狭槽 分布有明显偶然性;
大量小球按狭槽分
在克劳修斯、麦克斯 韦、玻尔兹曼研究的基础 上,吉布斯提出:“热力 学的发现基础建立在力学 的一个分支上”,由此建 立了统计力学。
1902年发表了《统计 力学的基本理论》,建立 了完整的“系综理论”。
第14章 气体动理论
6
14.2 气体动理论的基本观点 第14章 气体动理论
14.2 气体动理论的基本观点 第14章 气体动理论
二、分子热运动的无序性及统计规律 气体分子的特点: 数量多、间距大、速度快、碰撞频繁。 单个分子 ——无序、具有偶然性、遵循力学规律。 整体(大量分子)—— 服从统计规律。 例:常温和常压下的氧分子
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
第2章 气体动理论(Kinetic theory of gases)
(3)分子之间的碰撞以及分子与器壁的碰撞都是弹性的,即在碰 撞前后气体分子的动量守恒,动能守恒。
(4)气体分子的运动服从经典力学规律。 注意:这个假设的实质是,在一般条件下,对所有气体分子,经典 描述有效,不必采用量子论。 总之,气体被看作是自由地 无规则运动着的弹性球分子的集合。 5 鞍山科技大学 姜丽娜
鞍山科技大学 姜丽娜 14
该分子碰撞器壁一次所受的冲量:
由牛顿第三定律知,器壁受分子碰撞一次所受的冲量: ni vix dt dA 在 dt 时间内与dA碰撞的分子数(即斜柱体内的分子): 这些分子在 dt 时间内对 dA 的总冲量为: 所有分子在 dt 时间内对 dA 的总冲量为: dA
x
气体对器壁的宏观压强为:
鞍山科技大学 姜丽娜
2
1. 气体所占的体积V: 气体分子活动所能达到的空间范围。 注意: (1)若忽略分子本身的大小时,储存气体的容器的容积即为 气体的体积。
(2)它与气体分子本身体积的总和完全不同;
(3)气体体积的单位是m3; 2. 气体的压强P: 压强是气体作用在容器壁单位面积上的指向器壁的平均正 压力,是气体分子对器壁碰撞的宏观表现。 注意:气体压强单位的关系是1Pa=1N/m2;1atm=101325Pa。 3. 气体的温度T: 从宏观上来讲,温度表示物体的冷热程度;从微观上讲, 温度反映物质内部分子运动的剧烈程度。
鞍山科技大学 姜丽娜
21
(3)按照上式,热力学温度零度将是理想气体分子热运动停止 时的温度,然而实际上分子运动是永远不会停息的。热力学温 度零度也是永远不可能达到的,而且近代理论指出,即使在热力 学温度零度时,组成固体点阵的粒子也还保持着某种振动的能 量,叫做零点能量。对于气体,在温度未达到热力学温度零度以 前,已变成液体或固体,理想气体温度公式早已不适用了。 2.气体分子的方均根速率:
大学物理 气体动理论
二、 能量按自由度均分定理
1 3 2 W m v kT 2 2
v x v y vz
2 2
2
1 2 v 3
1 1 1 1 1 2 2 2 2 mv x mv y mv z ( mv ) 2 2 2 3 2
1 2 1 2 1 2 1 mvx mv y mvz kT 2 2 2 2
(kT )
(RT )
(m T )
讨论
一瓶氦气和一瓶氮气密度相同,分子平均平动动 能相同,而且它们都处于平衡状态,则它们 (A)温度相同、压强相同。 (B)温度、压强都不同。 (C)温度相同,但氦气的压强大于氮气的压强. (D)温度相同,但氦气的压强小于氮气的压强. 解
Nm k k T T p nkT V m m
M i E R T 2
是温度的单值函数E=f(T)
§3.4 麦克斯韦速率分布律
Maxwells law of distribution of speeds
对于由大量分 子组成的热力学系 统从微观上加以研 究时,必须用统计 的方法 .
小球在伽 尔顿板中的分 布规律 .
单个粒子行为--- 偶然 大量粒子行为--- 必然
Kinetic Theory of Gases
第三章 气体动理论
主要内容
§3-1 气体动理论的基本概念 §3-2 理想气体的压强和温度 §3-3 能量按自由度均分定理 §3-4 麦克斯韦速率分布律 §3-5 气体分子的平均碰撞频率和平均自由程 §3-6 输运过程
热学概述
与热现象有关的性质和规律。
P P2 P3 ... 1
在一定温度下,混合气体的总压强等 于相混合的各种气体的分压强之和。
大学物理第三章 气体动理论
2 ix
x
大量分子总效应 单位时间 N 个粒子对 器壁总冲量
z
x
2 2 mvix m vix Nm 2 Nm 2 vix x x i N x vx x i i
器壁 A 所受平均冲力 1
普通物理(农科)
F v Nm x
2 x
11
邓磊
y
器壁 A1所受平均冲力
2 F vx Nm x
2.两个容器中分别贮有理想气体氦和氧,已知氦气的压强是氧 气的1/2,氦气的容积是氧气的2倍。试问氦气的内能是氧气内能 的多少倍? 答案: 3 /5倍
i M i E RT pV 2 2 3.质量相等的的理想气体氧和氦,分别装在两个容积相等的 容器内,在温度相同的情况下,氧和氦的压强之比为 1:8 ;氧
13
普通物理(农科)
邓磊
二、理想气体的温度
理想气体压强公式
理想气体状态方程
2 p net 3 M pV RT
M
M Nm
NA m n N /V
N pV RT NA
玻尔兹曼常数 分子平均平动动能
p nkT
阿伏伽德罗定律
R k 1.38 1023 J K 1 NA 1 3 2 et mv kT 2 2
x
21
普通物理(农科)
邓磊
举例4
对自由刚体(Free rigid body)
用 x, y, z 来决定其质心的 位置——平动自由度3 用 , 来决定其转轴的 位置——转动自由度2 x’ 用 q 决定转过的角度— —转动自由度1 自由刚体的自由度是6,其 中3个平动自由度,3个转 动自由度.
y
o
气体压强
气体 运动 英语
气体运动英语
气体运动是物理学中的一个分支,它研究气体在不同条件下的运动规律和性质。
气体在运动过程中会受到压力、温度、体积等因素的影响,从而产生不同的变化和行为。
以下是一些与气体运动相关的英语词汇和概念:
1. Gas laws 气体定律:描述气体在不同条件下的物理规律,包括波义尔定律、查理定律、盖-吕萨克定律等。
2. Kinetic theory of gases 气体动力学理论:描述气体分子的动力学行为和性质,包括分子速度、压力、温度等。
3. Ideal gas 理想气体:在某些条件下,气体分子之间没有相互作用力的气体模型。
4. Real gas 实际气体:气体分子之间存在相互作用力的气体模型。
5. Boyle's law 波义尔定律:描述气体在温度不变下,体积和压力成反比例关系。
6. Charles's law 查理定律:描述气体在压力不变下,体积和温度成正比例关系。
7. Gay-Lussac's law 盖-吕萨克定律:描述气体在体积不变下,压力和温度成正比例关系。
8. Dalton's law 达尔顿定律:描述气体混合物的压力是各个气体分压之和。
9. Avogadro's law 阿伏伽德罗定律:描述相同体积的气体在相
同温度和压力下包含相同数量的分子。
10. Diffusion 扩散:气体分子在不同浓度的区域之间自发性地混合和扩散的过程。
以上是气体运动英语的一些常见词汇和概念,掌握这些内容可以帮助我们更深入地理解气体运动的本质和规律。
第六章 气体动理论 (Kinetic theory of gases)
(Kinetic theory of gases)
从分子热运动观点出发,依赖微观 粒子的力学规律,运用统计方法研究气 体分子热运动的宏观性质和变化规律。 寻求宏观量与微观量之间的关系,揭示 气体宏观热现象及其规律的微观本质。
§ 6 . 1 状态、过程与理想气体 States, Process and Ideal gas
•二、气体的状态参量 State parameter of gas • 把描述系统状态的变量称为状态参量。 状态参量分为宏观量与微观量
1. 宏观量 macro variable 从整体上描述系统的状态量,一般可以直接测量。 如 M、V、E 等----可以累加,称为广延量 extensive variable P、T 等----不可累加,称为强度量 intensity variable 2. 微观量 microcosmic variable 描述系统内微观粒子的物理量。 如分子的质量m、 直径 d 、速度 v、动量 p、能量 等。 微观量与宏观量有一定的内在联系。 例如,气体的压强是大量分子撞击器壁的平均效果, 它与大量分子对器壁的冲力的平均值有关。
p nkT
混合气体
n...
p p1 p 2 p 3 ...
• 四、理想气体状态方程
State equation of ideal gas • 1、理想气体:是一种理想化的物理模型。 • 2、理想气体的状态方程:(克拉珀龙方程)
M pV vRT RT M mol
( =M / Mmol : 摩尔数)
3、实际气体:压强不太大(与大气压相比),温 度不太低(与室温相比)的条件下,可近似地看成 理想气体。
• 三、平衡态与平衡过程
• Equilibrium state and equilibrium process • 1、平衡态:在没有外界影响的条件下,系统各个 部分的宏观性质长时间内不发生变化的状态。 (系统与外界没有作功或传热等方式的能量交换) • 2、热动平衡:热力学中的平衡是一种热动平衡, 系统的分子作永不停息的热运动,而且因为碰撞, 每个分子的速度经常在变,但是系统的宏观量不 随时间改变。宏观上表现为平衡态。 • 3、平衡态是一个理想化的概念,实际上不存在完 全不受外界影响的系统,也就不存在宏观性质绝 对不变化的系统。
大学物理气体动理论ppt
热学(Heat)
热学是研究与热现象有关的规律的科学。
海 热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现。
大
大量分子的无规则运动称为热运动。
纳 热学的研究方法:
道
百 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。致
远
海南大学
第四章 气体动理论( Kinetic theory of gases ) 教学目的和要求
1.了解气体动理学理论的基本观点;
2.了解麦克斯韦气体分子速率分布律和分子速率分布函数 海 的物理意义;掌握气体分子热运动的最概然速率、平均速率 大
和方均根速率的意义及其计算方法;
纳
3.掌握理想气体的平均平动动能与温度的关系,了解理 道
2)分子各方向运动概率均等
海儋 分子运动速度
vi
vixi
viy
j
viz k
大 宝
纳 州
各方向运动概率均等
百立
vx vy vz 0
道 岛 致生
x 川业
方向速度平方的平均值
v
2 x
1 N
vi2x
i
远根
各方向运动概率均等
v2x
v2y
v2z
1 v2 3
华海南热南带大农业学大学
第四章 气体动理论( Kinetic theory of gases )
海
第四章 气体动理论
大
纳
道
百 (Kinetic theory of gases) 致
川 远
海南大学
第四章 气体动理论( Kinetic theory of gases )
气体动理论
说明: 因T vp ,且曲线下 的面积不变,故T 增高时vp 值下降,整个曲线会变得更 平坦并向高速区域扩展。 故温度越高,速率大的分子 数越多。即分子运动越激烈。 o
f(v)
(T < T ’) T
T’
vp
v
二、三种统计速率 1. 最概然速率 ( most probable speed ) vp (最可几速率) 2. 平均速率 ( mean speed ) v T 一定时,所有分子速率的算术平均值。 (1)定义 f(v) (T < T ’)
v
0
vdN
N vf (v )dv
2. 大气压强ip 随高度的变化规律 设大气为理想气体,且不同高 度处的温度相同,则
mgh kT
T1
T2
p nkT p0 e (参P14例1.1) 式中 p0 n0 kT 是高度为0 处的压强。
在登山、航空、地质考察中,常用此式根据大气压 强的变化来估算高度(实际温度也随高度变化)。
小
一、麦克斯韦速率分布
3 2
结
mv 2 2kT
m f(v) 4π ( ) e 2π kT
v2
二、三种统计速率
2kT 2 RT vp m M mol
mgh kT
3kT 3 RT v m M mol
2
8kT 8 RT v m M mol
三、重力场中的气体分子按高度分布规律
0
ch7:气动力论
显然
由
N N1 N 2 N i
i 1
n
Wi lim ( N i N )
N
M lim
N1M 1 N
N
lim
N2M 2 N
N
Wi M i
i
结论: 随机性物理量M的统计平均值等于其各种不同的测量值 与相应测量值出现的概率乘积之和。(N次测量) 随机性物理量M的统计平均值等于其各种可能的取值与 相应取值出现的概率乘积之和。(N个对象)
(3) d t 时间内,能够与面元△S 碰撞的速度为 v 所有分子给 i 该面元冲量为:I 2 N i v 2 ixdtS (v 0) i ix V
(4) 在d t 时间内,与面元△S 碰撞的所有分子给予的冲量为
I 2
v ix 0
N i V
v
2
ix dtS i
p 2 3 n
2 3 n1 1 2 3 n2 2
p1 p2
例 有一容积为10cm3 的电子管,当温度为300K时用真空泵 抽成高真空,使管内压强为5×10-6 mmHg。 求 (1) 此时管内气体分子的数目; (2) 这些分子的总平动动能。 解 (1) 由理想气体状态方程得
(4) 温度是统计概念,是大量分子热运动的集体表现。
例:试证明道尔顿分压定律 混合气体的压强等于各种气体的分压强之和。 设几种气体贮于一密闭容器中,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 温度相同 于是
n n1 n2
1 2 ...
v v v v 3
2 x 2 y 2 z 2
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3. Temperature of an Ideal gas
3 ε t = kT 2
2 P = nε t 3
P = n kT
Temperature in Kelvin
The average translational kinetic energy of molecules in an ideal gas is directly proportional to the absolute temperature. The molecular interpretation of temperature: The temperature of a gas is a direct measure of the average translational kinetic energy of its molecules! The higher the temperature, the faster the molecules are moving on the average. It applies reasonably accurately to liquids and solids.
16-1 The Ideal Gas Law and the Molecular Interpretation of Temperature
Our first model of a many-particle system: the Ideal Gas
Models of matter: gas models (random motion of particles)
F root mean square speed vrms
vrms = v =
for a gas, m T ↑
2
3kT = m
v
2
3 RT
µ
1 3 2 ε t = mv = kT 2 2
R k R = = µ m N Am
at a temperature T
µ↑
v2
↓
This is a particular type of average for a statistical process.
− vix
− mvix
v mvi
As a result of a collision the momentum changes by
− m vix − mvix = −2m vix
The impulse exerted on the wall by the collision = 2 m vix
x
v ix
v2 x =
2 n v ∑ i ix i
n
Suppose dA is perpendicular to x axis ,the collision time is dt.
For each (elastic) collision, the impulse on dA
2m vix
The number of molecules that collide with dA in the time interval dt equals the number in the box.
The impulse exerted by all molecules on dA in the time interval dt
dI =
( v ix > 0 )
∑
2 2 mn i v ix dAdt
The impulse exerted by all molecules on dA in the time interval dt
= 6.42 × 10
−21
(J)
Example (a) What is the rms speed of hydrogen molecules when temperature is 0 ℃ , and (b) the rms speed of oxygen molecules at the same temperature. For H2 molecules
Example What is the average translational kinetic energy of molecules in an ideal gas at 37 °C? Solution:
3 ε t = kT 2
3 = × 1.38 × 10 − 23 × ( 37 + 273) 2
2 x 2 1x 2 2x 2 ix
vx x
vy
y
Since the velocity of the molecules in the gas are assumed to be random, there is no preference to one direction or another.
v = vy = v
dN N n= = dV V
)
Velocities of molecules are different. Each molecule has its velocity, which may be changed due to collisions. In an equilibrium state, velocity of each molecule has the same probability to point to any directions. That is, the distribution of velocity of molecules is uniform in direction, which leads to the mean-square speeds of all components of velocity are same.
1 2 d I = ∑ 2 mn i v d A d t = ∑ 2 mn i v ix d A d t 2 ( v ix > 0 ) dI dI 2 dF = P= = ∑ mn i v ix d A d t dt dAdt
2 ix
P=
2 2 mn v = m n 2 x i
2) Statistical assumptions about an ideal gas
) In an equilibrium state, the distribution of molecules on the
position is uniform, which means that the density of number of molecules is the same everywhere,
mvix
dA
Consider a container of volume V containing N molecules, each of mass m moving with speed v. The number of molecules per unit volume is n .
Let ni be the number of molecules that have velocity between r r r vi − vi + dvi per unit volume.
dA x
v v i dt
v ix dt
ni vix dt dA
Volume of the box
The impulse exerted by molecules r r r on dA that have velocity between vi − vi + dvi equals
ni vix dt dA( 2m vix)
N
+
N
2 2 v2 = v2 + v + v x y z
v
2 x
dN v v n= dV are statistical average values.
2 y
2 z
1 2 v = vy = v = v 3
2 x 2 2 z
2. Calculating the Pressure Exerted by a Gas
2 be the average value of v Let v 2 x x 2 the average value of v y v
2 y
2 the average value of vz2 vz
z vz
2 v ∑ ix
r v
v + v + L+ v = i v = N N 2 2 v v ∑ iy ∑ iz 2 2 vy = i = i vz N N
ni = Ni V
The number of molecules per unit volume equals
n = ∑ ni
v =
2 x
∑
N
k =1
2 v kx
N
Ni 2 N1 2 N2 2 v1x + v2 x + L vix N v + N v + LN v V V = = V N N /V
2 1 1x 2 2 2x 2 i ix
Chapter 16
Kinetic Theory of Gases
16-1 The Ideal Gas Law and the Molecular Interpretation of Temperature
16-2 Distribution of Molecular Speeds
16-6 Mean Free Path
2 x 2
2 z
For a single molecule
v =v +v +v
2 i 2 ix 2 iy
2 v ∑ i 2 v ∑ ix
2 iz
v = vy = v
2 x 2
2 v ∑ iz