第六章 分子动理论3
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──即 即
※选用不同的测温物质或不同的测温特性,测量同一系统所 选用不同的测温物质或不同的测温特性, 选用不同的测温物质或不同的测温特性 得的温度数值,一般情况下并不完全相同。 得的温度数值,一般情况下并不完全相同。 例如,(一个大气压下) 例如,(一个大气压下) ,(一个大气压下 对水的冰点,华氏温标为32F0,攝氏温标为 0, 攝氏温标为0C 对水的冰点,华氏温标为 对水的沸点,华氏温标为212F0,攝氏温标为 攝氏温标为100C0。 对水的沸点,华氏温标为 3、热力学温标 一种与测温质和测温特性无关的温标。开尔文(lord 一种与测温质和测温特性无关的温标。开尔文( Kelvin)在热力学第二定律的基础上建立了这种温标,称热 )在热力学第二定律的基础上建立了这种温标, 力学温标。 力学温标。 规定水的三相点( 规定水的三相点(水,冰和水蒸汽平衡共存的状态)为 冰和水蒸汽平衡共存的状态) 273.16K。 。 由热力学温标可导出摄氏温度 T=t+273.15 T= +273 15
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处在相互热平衡状态的系统必定拥有某一个共同的物理性 质,我们把描述系统这一共同宏观性质的物理量称为系统的 温度 。 2、温标 温度计 温度计:即测温的工具。 温度计 即测温的工具。 即测温的工具 温度计要能定量表示和测量温度,还需要建立温标 温度计要能定量表示和测量温度, 温度的数值表示法。 温度的数值表示法 ※ 主要有三个步骤 其一、要选定一种合适物质(称测温质)的测温特性; 其一、要选定一种合适物质(称测温质)的测温特性; 其二、规定测温质的测温特性与温度的依赖关系(线性); 其二、规定测温质的测温特性与温度的依赖关系(线性); 其三、选定温度的标准点(固定点), ),并把一定间隔的冷 其三、选定温度的标准点(固定点),并把一定间隔的冷 热程度分为若干度。 热程度分为若干度。
1 (1) 每个分子向各个方向运动的机会均等 每个分子向各个方向运动的机会均等( ); 6
N (2) 对于大量分子,向各个方向运动的分子数平均相等( ); 对于大量分子,向各个方向运动的分子数平均相等( ); 6
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分子速度在各个方向上的分量的各种平均值平均相等; (3) 分子速度在各个方向上的分量的各种平均值平均相等;
3 首 页 上 页 下 页退 出
我们可以从这些参量中, 我们可以从这些参量中,选取不多的相互独立的几 个物理量作为描述系统热平衡态的参量, 个物理量作为描述系统热平衡态的参量,叫系统的状态 参量。 参量。 主要的参量有:几何参量,力学参量,热学参量, 主要的参量有:几何参量,力学参量,热学参量, 化学参量,电磁参量; 体积V,压强P, 化学参量,电磁参量 体积 ,压强 ,热力学温度 T, , 摩尔数v。 摩尔数 。
6.1.2 温度
1、温度概念 温度是表征物体冷热程度的宏观状态参量。 温度是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的。 温度概念的建立是以热平衡为基础的。
4 首 页 上 页 下 页退 出
绝热壁 A B A B
导热壁
C A B A
C B
如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡,那么, 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡,那么,这 两个系统彼此也处于热平衡。这个结论称热力学第零定律。 两个系统彼此也处于热平衡。这个结论称热力学第零定律
M PV = RT M mol
P1V 1 P2V 2 = T1 T2
式中R是气体普适常量, SI中 R=8.31 (J·mol-1·K-1), 式中R是气体普适常量,在SI中 R= Mmol是气体的摩尔质量。 是气体的摩尔质量。
8 首 页 上 页 下 页退 出
3、状态图(P-V图、P-T图、V-T图) 状态图(P-V图、P-T图、V-T图 (P-V 气体的平衡态除了可用一组状态参量来描述, 气体的平衡态除了可用一组状态参量来描述,还可用状态 图来表示,而一组状态参量在状态图中对应的是一个点。 图来表示,而一组状态参量在状态图中对应的是一个点。不同 的状态在状态图中对应点不同。 的状态在状态图中对应点不同 在状态图中, 在状态图中,一条光滑的曲 线代表一个由无穷多个平衡态 所组成的变化过程,如右图所 所组成的变化过程, 示。 曲线上的箭头表示过程进 行的方向。 行的方向。 P
2 首 页 上 页 下 页退 出
系统在热平衡时,系统内任一宏观体元均处于力学平衡、 系统在热平衡时,系统内任一宏观体元均处于力学平衡、 热平衡、相平衡中。 热平衡、相平衡中。 ※ 从微观的角度应理解为动态平衡态 ※ 平衡态是一种是理想概念 ※ 若在我们所讨论的问题中,气体活动的高度空间不是很 若在我们所讨论的问题中, 即重力加速度随高度的变化可以忽略, 大,即重力加速度随高度的变化可以忽略,则在达热力学平衡 态时,上述宏观量不仅是稳定的 指不随时间变化)还是均匀 稳定的( 态时,上述宏观量不仅是稳定的(指不随时间变化)还是均匀 即不随位置变化) 的(即不随位置变化)。 ※ 处于热平衡态时,系统的宏观属性具有确定的值。因此 处于热平衡态时,系统的宏观属性具有确定的值。 可以用一些确定的物理量来表征系统的这些宏观属性。 可以用一些确定的物理量来表征系统的这些宏观属性。用来 描写热平衡态下各种宏观属性的物理量叫系统的宏观参量 系统的宏观参量。 描写热平衡态下各种宏观属性的物理量叫系统的宏观参量。
例如: ∵ v 例如
2
2 2 = v x + v y + v z2
2 y 2 z
1 2 ∴v = v = v = v 3
2 x
每个分子运动速度不尽相同, (4) 每个分子运动速度不尽相同,由于分子不停地发生碰 撞而发生变化,因而分子具有各种可能的速度。 撞而发生变化,因而分子具有各种可能的速度。对于全同 分子,不会因碰撞而丢失具有某一速度的分子。 分子,不会因碰撞而丢失具有某一速度的分子。 以上就是用统计平均的观点所得出的气体分子的性质。 以上就是用统计平均的观点所得出的气体分子的性质。
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§6-1 平衡态 温度 理想气体状态方程 6.1.1 平衡态
1、热力学系统 由大量微观粒子(分子、原子等微观粒子)所组成的宏观 由大量微观粒子(分子、原子等微观粒子) 物体或系统。 物体或系统。 ★ 热力学系统分类 根据系统与外界交换能量或物质的特点,可以分为三种: 根据系统与外界交换能量或物质的特点,可以分为三种: (1) 孤立系统--与外界既无能量交换,又无物质交换的系统 孤立系统--与外界既无能量交换, --与外界既无能量交换 (2) 封闭系统--与外界只有能量交换,但无物质交换的系统 封闭系统--与外界只有能量交换, --与外界只有能量交换 (3) 开放系统--与外界既有能量交换,又有物质交换的系统 开放系统--与外界既有能量交换, --与外界既有能量交换 2、平衡态 指在不受外界影响(或不变的)的条件下, 指在不受外界影响(或不变的)的条件下,系统的宏观性 称热平衡态。 质不随时间变化的状态 称热平衡态。
A(P1 , V1 , T1 )
0
B(P2 , V2 , T2 )
V
由于非平衡态不能用一组确切的状态参量来描述, 由于非平衡态不能用一组确切的状态参量来描述,因此在 状态图中, 状态图中,非平衡态过程也就无法找到相应的过程曲线与之 对应。 对应。
9 首 页 上 页 下 页退 出
§6-2 理想气体压强公式 6.2.1 分子模型
N FA1 2 = mv x P= l2l3 l1l2l3
N 为分子数密度( 令 n = l l l ──为分子数密度(即单位体积内的分子数) 为分子数密度 即单位体积内的分子数) 1 2 3
又由统计平均的观点有 所以
1 2 vx = v 3 1 2 1 2 2 P = nmv = n( mv ) 3 3 2
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压强的统计解释
y
A2
l1
A1
设一容器,边长为ℓ 设一容器,边长为ℓ1、ℓ2、 内有N个分子。 ℓ3,内有N个分子。
l2
vy
0 vz
vi
vx
x
l3
设器壁光滑,考虑速度为 设器壁光滑, 现讨论其对于A vi的分子 ,现讨论其对于A1 面的碰撞。 面的碰撞。
z
分子) 1、先考察一个分子(例如i分子)一次碰撞中给予器壁 1的 先考察一个分子(例如 分子 一次碰撞中给予器壁A 冲量 对于i分子 对于i分子:
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6.2.2 分子性质
每个分子运动具有偶然性, 每个分子运动具有偶然性,然而正是由于每个分子的偶 然性,才使得大量分子运动出现了规律性。 然性,才使得大量分子运动出现了规律性。这种规律性具 有统计平均意义,称为统计规律性。 有统计平均意义,称为统计规律性。 在平衡态,当重力的影响可以忽略时, 在平衡态,当重力的影响可以忽略时,容积内各处的压 密度、温度都相同,而分子始终在作无规则的热运动, 强、密度、温度都相同,而分子始终在作无规则的热运动, 故我们可以认为: 故我们可以认为:
第六章 气体动理论基础
§ 6-1 § 6-2 § 6-3 § 6-4 § 6-5 *§ 6-6 § 6-7 *§ 6-8 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 能量均分定理 理想气体的内能 麦克斯韦分子速率分布定律 玻耳兹曼分布律 分子的平均碰撞次数和平均自由程 气体内的输运过程
1、分子可以看作质点。(除特别考虑) 、分子可以看作质点。 2、除碰撞外,分子之间,分子与器壁不计相互作用力。 、除碰撞外,分子之间,分子与器壁不计相互作用力。 3、分子间,分子与器壁间的碰撞是完全弹性的,遵守 、分子间,分子与器壁间的碰撞是完全弹性的, 动量和能量守恒定律。 动量和能量守恒定律。 即: 理想气体分子可看作彼此间无相互作用的遵守 经典力学规律的弹性质点。 经典力学规律的弹性质点。
v ix 2 l1
分子单位时间内施于A 则 i分子单位时间内施于 1面的总冲量(冲力)为 分子单位时间内施于 面的总冲量(冲力)
vix 1 2 2mvix ⋅ = mvix 其量纲关系为(力 ⋅ 秒 ⋅ 次 → 力) 2l1 l1 秒
3、所有分子在单位时间内对器壁的冲力──对i求和 所有分子在单位时间内对器壁的冲力 对 求和
∆P = (−mvix ) − mvix = −2mvix ix
ix
13 首 页 上 页 下 页退 出
由牛顿第三定律, 分子给予器壁的冲量为 由牛顿第三定律,i分子给予器壁的冲量为 2 mv
分子在单位时间内施于A 2、i分子在单位时间内施于 1面的平均冲力 分子在单位时间内施于 i分子单位时间内与A1面碰撞的次数为 分子单位时间内与A
m 2 m N 2 FA1 = ∑ vix = ∑ vix l1 i =1 i =1 l1
∵
2 2 2 vix = v12x + v2 x + ⋯ + v Nx ∑ i =1 N
N
2 2 v12x + v2 x + ⋯ + vNx 故若令 v 2 = x N
பைடு நூலகம்
表示分子在X方向速率平 表示分子在 方向速率平 方的平均值, 方的平均值,
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那么
2 vix = N v x2 ∑ i =1
N
于是所有分子在单位时间内施于A 于是所有分子在单位时间内施于 1面的冲力为
m 2 m N 2 m FA1 = ∑ vix = ∑ vix = N vx2 l1 i =1 l1 i =1 l1
4、求压强的统计平均值
N
由压强的定义
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6.1.3 理想气体状态方程
1、理想气体 、 在室温下, 不太大, 不太高, 从宏观定义 : 在室温下,ρ不太大,P不太高,三大实验定律所得结论 理想化 。 忽略分子间作用力, 分子间, 从微观定义 : 忽略分子间作用力, 分子间,分子与器壁间碰撞视为 弹性碰撞 。 2、理想气体的状态方程 、 热平衡态下,系统各个状态参量之间满足一定的关系, 热平衡态下,系统各个状态参量之间满足一定的关系,这样 的关系叫系统的状态方程 过程方程 克拉珀龙方程
──即 即
※选用不同的测温物质或不同的测温特性,测量同一系统所 选用不同的测温物质或不同的测温特性, 选用不同的测温物质或不同的测温特性 得的温度数值,一般情况下并不完全相同。 得的温度数值,一般情况下并不完全相同。 例如,(一个大气压下) 例如,(一个大气压下) ,(一个大气压下 对水的冰点,华氏温标为32F0,攝氏温标为 0, 攝氏温标为0C 对水的冰点,华氏温标为 对水的沸点,华氏温标为212F0,攝氏温标为 攝氏温标为100C0。 对水的沸点,华氏温标为 3、热力学温标 一种与测温质和测温特性无关的温标。开尔文(lord 一种与测温质和测温特性无关的温标。开尔文( Kelvin)在热力学第二定律的基础上建立了这种温标,称热 )在热力学第二定律的基础上建立了这种温标, 力学温标。 力学温标。 规定水的三相点( 规定水的三相点(水,冰和水蒸汽平衡共存的状态)为 冰和水蒸汽平衡共存的状态) 273.16K。 。 由热力学温标可导出摄氏温度 T=t+273.15 T= +273 15
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处在相互热平衡状态的系统必定拥有某一个共同的物理性 质,我们把描述系统这一共同宏观性质的物理量称为系统的 温度 。 2、温标 温度计 温度计:即测温的工具。 温度计 即测温的工具。 即测温的工具 温度计要能定量表示和测量温度,还需要建立温标 温度计要能定量表示和测量温度, 温度的数值表示法。 温度的数值表示法 ※ 主要有三个步骤 其一、要选定一种合适物质(称测温质)的测温特性; 其一、要选定一种合适物质(称测温质)的测温特性; 其二、规定测温质的测温特性与温度的依赖关系(线性); 其二、规定测温质的测温特性与温度的依赖关系(线性); 其三、选定温度的标准点(固定点), ),并把一定间隔的冷 其三、选定温度的标准点(固定点),并把一定间隔的冷 热程度分为若干度。 热程度分为若干度。
1 (1) 每个分子向各个方向运动的机会均等 每个分子向各个方向运动的机会均等( ); 6
N (2) 对于大量分子,向各个方向运动的分子数平均相等( ); 对于大量分子,向各个方向运动的分子数平均相等( ); 6
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分子速度在各个方向上的分量的各种平均值平均相等; (3) 分子速度在各个方向上的分量的各种平均值平均相等;
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我们可以从这些参量中, 我们可以从这些参量中,选取不多的相互独立的几 个物理量作为描述系统热平衡态的参量, 个物理量作为描述系统热平衡态的参量,叫系统的状态 参量。 参量。 主要的参量有:几何参量,力学参量,热学参量, 主要的参量有:几何参量,力学参量,热学参量, 化学参量,电磁参量; 体积V,压强P, 化学参量,电磁参量 体积 ,压强 ,热力学温度 T, , 摩尔数v。 摩尔数 。
6.1.2 温度
1、温度概念 温度是表征物体冷热程度的宏观状态参量。 温度是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的。 温度概念的建立是以热平衡为基础的。
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绝热壁 A B A B
导热壁
C A B A
C B
如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡,那么, 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡,那么,这 两个系统彼此也处于热平衡。这个结论称热力学第零定律。 两个系统彼此也处于热平衡。这个结论称热力学第零定律
M PV = RT M mol
P1V 1 P2V 2 = T1 T2
式中R是气体普适常量, SI中 R=8.31 (J·mol-1·K-1), 式中R是气体普适常量,在SI中 R= Mmol是气体的摩尔质量。 是气体的摩尔质量。
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3、状态图(P-V图、P-T图、V-T图) 状态图(P-V图、P-T图、V-T图 (P-V 气体的平衡态除了可用一组状态参量来描述, 气体的平衡态除了可用一组状态参量来描述,还可用状态 图来表示,而一组状态参量在状态图中对应的是一个点。 图来表示,而一组状态参量在状态图中对应的是一个点。不同 的状态在状态图中对应点不同。 的状态在状态图中对应点不同 在状态图中, 在状态图中,一条光滑的曲 线代表一个由无穷多个平衡态 所组成的变化过程,如右图所 所组成的变化过程, 示。 曲线上的箭头表示过程进 行的方向。 行的方向。 P
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系统在热平衡时,系统内任一宏观体元均处于力学平衡、 系统在热平衡时,系统内任一宏观体元均处于力学平衡、 热平衡、相平衡中。 热平衡、相平衡中。 ※ 从微观的角度应理解为动态平衡态 ※ 平衡态是一种是理想概念 ※ 若在我们所讨论的问题中,气体活动的高度空间不是很 若在我们所讨论的问题中, 即重力加速度随高度的变化可以忽略, 大,即重力加速度随高度的变化可以忽略,则在达热力学平衡 态时,上述宏观量不仅是稳定的 指不随时间变化)还是均匀 稳定的( 态时,上述宏观量不仅是稳定的(指不随时间变化)还是均匀 即不随位置变化) 的(即不随位置变化)。 ※ 处于热平衡态时,系统的宏观属性具有确定的值。因此 处于热平衡态时,系统的宏观属性具有确定的值。 可以用一些确定的物理量来表征系统的这些宏观属性。 可以用一些确定的物理量来表征系统的这些宏观属性。用来 描写热平衡态下各种宏观属性的物理量叫系统的宏观参量 系统的宏观参量。 描写热平衡态下各种宏观属性的物理量叫系统的宏观参量。
例如: ∵ v 例如
2
2 2 = v x + v y + v z2
2 y 2 z
1 2 ∴v = v = v = v 3
2 x
每个分子运动速度不尽相同, (4) 每个分子运动速度不尽相同,由于分子不停地发生碰 撞而发生变化,因而分子具有各种可能的速度。 撞而发生变化,因而分子具有各种可能的速度。对于全同 分子,不会因碰撞而丢失具有某一速度的分子。 分子,不会因碰撞而丢失具有某一速度的分子。 以上就是用统计平均的观点所得出的气体分子的性质。 以上就是用统计平均的观点所得出的气体分子的性质。
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§6-1 平衡态 温度 理想气体状态方程 6.1.1 平衡态
1、热力学系统 由大量微观粒子(分子、原子等微观粒子)所组成的宏观 由大量微观粒子(分子、原子等微观粒子) 物体或系统。 物体或系统。 ★ 热力学系统分类 根据系统与外界交换能量或物质的特点,可以分为三种: 根据系统与外界交换能量或物质的特点,可以分为三种: (1) 孤立系统--与外界既无能量交换,又无物质交换的系统 孤立系统--与外界既无能量交换, --与外界既无能量交换 (2) 封闭系统--与外界只有能量交换,但无物质交换的系统 封闭系统--与外界只有能量交换, --与外界只有能量交换 (3) 开放系统--与外界既有能量交换,又有物质交换的系统 开放系统--与外界既有能量交换, --与外界既有能量交换 2、平衡态 指在不受外界影响(或不变的)的条件下, 指在不受外界影响(或不变的)的条件下,系统的宏观性 称热平衡态。 质不随时间变化的状态 称热平衡态。
A(P1 , V1 , T1 )
0
B(P2 , V2 , T2 )
V
由于非平衡态不能用一组确切的状态参量来描述, 由于非平衡态不能用一组确切的状态参量来描述,因此在 状态图中, 状态图中,非平衡态过程也就无法找到相应的过程曲线与之 对应。 对应。
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§6-2 理想气体压强公式 6.2.1 分子模型
N FA1 2 = mv x P= l2l3 l1l2l3
N 为分子数密度( 令 n = l l l ──为分子数密度(即单位体积内的分子数) 为分子数密度 即单位体积内的分子数) 1 2 3
又由统计平均的观点有 所以
1 2 vx = v 3 1 2 1 2 2 P = nmv = n( mv ) 3 3 2
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压强的统计解释
y
A2
l1
A1
设一容器,边长为ℓ 设一容器,边长为ℓ1、ℓ2、 内有N个分子。 ℓ3,内有N个分子。
l2
vy
0 vz
vi
vx
x
l3
设器壁光滑,考虑速度为 设器壁光滑, 现讨论其对于A vi的分子 ,现讨论其对于A1 面的碰撞。 面的碰撞。
z
分子) 1、先考察一个分子(例如i分子)一次碰撞中给予器壁 1的 先考察一个分子(例如 分子 一次碰撞中给予器壁A 冲量 对于i分子 对于i分子:
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6.2.2 分子性质
每个分子运动具有偶然性, 每个分子运动具有偶然性,然而正是由于每个分子的偶 然性,才使得大量分子运动出现了规律性。 然性,才使得大量分子运动出现了规律性。这种规律性具 有统计平均意义,称为统计规律性。 有统计平均意义,称为统计规律性。 在平衡态,当重力的影响可以忽略时, 在平衡态,当重力的影响可以忽略时,容积内各处的压 密度、温度都相同,而分子始终在作无规则的热运动, 强、密度、温度都相同,而分子始终在作无规则的热运动, 故我们可以认为: 故我们可以认为:
第六章 气体动理论基础
§ 6-1 § 6-2 § 6-3 § 6-4 § 6-5 *§ 6-6 § 6-7 *§ 6-8 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 能量均分定理 理想气体的内能 麦克斯韦分子速率分布定律 玻耳兹曼分布律 分子的平均碰撞次数和平均自由程 气体内的输运过程
1、分子可以看作质点。(除特别考虑) 、分子可以看作质点。 2、除碰撞外,分子之间,分子与器壁不计相互作用力。 、除碰撞外,分子之间,分子与器壁不计相互作用力。 3、分子间,分子与器壁间的碰撞是完全弹性的,遵守 、分子间,分子与器壁间的碰撞是完全弹性的, 动量和能量守恒定律。 动量和能量守恒定律。 即: 理想气体分子可看作彼此间无相互作用的遵守 经典力学规律的弹性质点。 经典力学规律的弹性质点。
v ix 2 l1
分子单位时间内施于A 则 i分子单位时间内施于 1面的总冲量(冲力)为 分子单位时间内施于 面的总冲量(冲力)
vix 1 2 2mvix ⋅ = mvix 其量纲关系为(力 ⋅ 秒 ⋅ 次 → 力) 2l1 l1 秒
3、所有分子在单位时间内对器壁的冲力──对i求和 所有分子在单位时间内对器壁的冲力 对 求和
∆P = (−mvix ) − mvix = −2mvix ix
ix
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由牛顿第三定律, 分子给予器壁的冲量为 由牛顿第三定律,i分子给予器壁的冲量为 2 mv
分子在单位时间内施于A 2、i分子在单位时间内施于 1面的平均冲力 分子在单位时间内施于 i分子单位时间内与A1面碰撞的次数为 分子单位时间内与A
m 2 m N 2 FA1 = ∑ vix = ∑ vix l1 i =1 i =1 l1
∵
2 2 2 vix = v12x + v2 x + ⋯ + v Nx ∑ i =1 N
N
2 2 v12x + v2 x + ⋯ + vNx 故若令 v 2 = x N
பைடு நூலகம்
表示分子在X方向速率平 表示分子在 方向速率平 方的平均值, 方的平均值,
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那么
2 vix = N v x2 ∑ i =1
N
于是所有分子在单位时间内施于A 于是所有分子在单位时间内施于 1面的冲力为
m 2 m N 2 m FA1 = ∑ vix = ∑ vix = N vx2 l1 i =1 l1 i =1 l1
4、求压强的统计平均值
N
由压强的定义
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6.1.3 理想气体状态方程
1、理想气体 、 在室温下, 不太大, 不太高, 从宏观定义 : 在室温下,ρ不太大,P不太高,三大实验定律所得结论 理想化 。 忽略分子间作用力, 分子间, 从微观定义 : 忽略分子间作用力, 分子间,分子与器壁间碰撞视为 弹性碰撞 。 2、理想气体的状态方程 、 热平衡态下,系统各个状态参量之间满足一定的关系, 热平衡态下,系统各个状态参量之间满足一定的关系,这样 的关系叫系统的状态方程 过程方程 克拉珀龙方程