基础物理学习题讨论课第二次课

大气环流--大气中的自然对流传热
某一大范围的地区，某一大气层在一个长时期的大气运动的平 均状态或某一个时段的大气运动的变化过程。 大气环流既是地－气系统进行热量、水分、角动量 等物理量交换以及能量交换的重要机制，也是这些 物理量的输送、平衡和转换的重要结果。
一是太阳辐射，由于地球的自转和公转，地球表面接受太阳辐射能量是不均 匀的，从而形成大气的热力环流。 二是地球自转，在地球表面运动的大气都会受地转偏向力作用而发生偏转。 三是地球表面海陆分布不均匀。 四是大气内部南北之间热量、动量的相互交换。
自由度
描述一个物体在空间的位置所需的独立坐标。
能量均分定理
处于温度为T 的平衡态的气体中，分子热运动平均动能平均分配到每一个分子 的每一个自由度上，每一个自由度的平均动能都是 kT /2 。
内能
组成热力学系统的所有微观粒子的无
规则热运动的能量与这些微观粒子之
间的相互作用势能总和。
热容
物体升高或降低单位温度所吸收或放出的热量。
4. 理想气体等值过程和绝热过程中功、热量和内能
改变的计算
5. 循环过程及其效率和致冷系数
热力学第一定律—能量守恒定律在热学形式的表现。
德国物理学家、医生迈尔1840年2月作为船医远航到印度尼西亚。他从 船员静脉血的颜色的不同，发现体力和体热来源于食物中所含的化学 能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在 量上就必定守恒。 1842年他发表了《论无机性质的力》的论文，表述了物理、化学过程 中各种力（能）的转化和守恒的思想。
地球磁层-地球生命的第一把保护伞
当太阳风到达地球附近空间时，太阳风与地球的偶极磁场发生作用， 把地球磁场压缩在一个固定区域里，这个区域就叫磁层。地球磁层像 一个头朝太阳的 蛋形物。 由于太阳风的磁感应线和地球的磁感应线是不能相交的，太阳风就不 能进入地球磁层内，避免了这些带电粒子对地球的侵蚀，特别是对生 命的摧残。 太阳大气的扰动，太阳黑子的激烈活动都会通过太阳风传到地球，通 过与地球磁场的相互作用，引起一些烈影响人类活动的时间，如通讯 卫星失灵、高纬区电网失效，及短波通讯、长波导航质量下降等，还 会引起气象和气候的变化。
双
每个原子的质量都集中在半径为 10-15 m 的原子核上，而分子 的线度为 10-10 m。其半径之比为 10-15 m / 10-10 m = 10-5倍。
P75
§3 近平衡态中的输运过程
1. 三种输运过程（黏性、热传导和扩散）
2.平均自由程和碰撞频率
3.1 三种输运过程（黏性、热传导和扩散）
P57
ຫໍສະໝຸດ Baidu 月球大气
月球没有大气层：由于月球的重力加速度只有地球 的1/6，月球的直径是地球的0.27，所以月球表面 上的逸出速率为 2380 m/s.
任一气体分子通过碰撞在不断地改变速率大小，月 球在数十亿年的演化过程中几乎全部的大气分子都 能超过逸出速率而纷纷逸出月球。 地球上有大气，所以会发生大气的分子散射现象， 因而白天看到地球的天空是蓝色的。但是月球没有 大气层，月球的天空始终是黑色的。 由于月球上没有大气，再加上月面物质的热容量和 热导率又很低，因而月球表面昼夜的温差很大。
2.2 麦克斯韦分布律
分子速率的三种统计平均值
单位与量纲
利用量纲记忆分布公式
由于 e 的指数上的量纲为1，而 mv2 / 2
与 kT 是同量纲的。所以在指数上应该 有mv2 / 2kT. 另外，当 v 时，f（v）应趋于零， 说明 e 的指数上应是负的. 由于 v2dv 为v 的三次方量纲，概率的 量纲也是1，即 Av2dv 的量纲是1, 可 见其系数 A 呈1/v3量纲。所以A 中应 有 (m/ 2kT )3/2 因子。
迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。
以后英国物理学家焦耳和德国物理学家亥姆霍兹等人又各自独立地发 现了能量守恒定律。
为什么准静态等压加热过程要设想系统依次与很多温度相差很小的热源 接触? 若用炉子加热一块固体，此过程是否是准静态等压过程?
热力学第一定律△U=Q+W与
是否等价？
输运过程（迁移现象）
在不受外界干扰时，系统总要从平衡态自发地向平衡态过渡。
黏性
由流速不同的气体层之间的定向运动动量的迁移产生的。（动量迁 移、流速趋于均匀）
热传导
由于分子热运动强弱程度（即温度）不同所产生的能量传递。（能量 量迁移、温度趋于均匀）
扩散
由于分子的热运动使粒子从数密度高的地方迁移到数密度低的地方 的现象。 （质量迁移、密度趋于均匀）
太阳风
--20世纪空间探测的重要发现之一 组成太阳大气的原子以等离子体出现，即由质子和电子所 组成。太阳大气中的速度比较高的粒子可以逃逸出去，形 成以200~800 km/s 的速度由太阳径向向外运动的等离子 体流。 太阳风的密度是非常稀薄而微不足道的，但它刮起来的猛 烈程度，却远远胜过地球上的风。在地球上，12级台风的 风速是32.5 m/s, 而太阳风的风速，在地球附近却经常保 持在350~450 km/s。 太阳风使彗星绕过太阳时形成长长的向着反太阳方向延伸 的彗尾；在地球高纬区看到的多彩的极光现象，也是进入 地球磁场的太阳风粒子经加速后在地球大气中沉降产生的。
2.3麦克斯韦-玻尔兹曼分布律、等温气压公式
重力场中粒子按高度的分布
麦克斯韦-玻尔兹曼是分子运动
论的基础，它解释了许多基本的 气体性质，包括压强和扩散。
麦克斯韦-玻尔兹曼分布通常指
气体中分子的速率分布，但它还 可以指分子的速度、动量，以及 动量的大小的分布，每一个都有 不同的概率分布函数。
2.4 能量均分定理、内能及热容
3.2 气体分子的平均碰撞频率和平均自由程
平均碰撞频率
分子单位时间内与其他分子相碰次数的平均值。
p nkT , v 8kT m
Z
碰撞截面
2nv
Z
4p mkT
温度不变时压强越大（或 在压强不变时，温度越低） 分子间碰撞越频繁。
d 2
平均自由程
分子在连续二次碰撞之间的路程的平均值。
vt v Zt Z
1 2n
p nkT

kT 2p
平均自由程与n成反比，而 与平均速率无关。
温度一定时，平均自由 程与压强成反比。
为什么在荧光灯管中为了使汞原子易于电离而对灯管抽真空？
P104
§4 热力学第一定律
1. 准静态过程
2. 功、热量和内能以及热力学第一定律
3. 焓、定体热容和定压热容
基础物理学(II)-热学 习题讨论课
主讲人: 孙莹 副教授 物理科学与核能工程学院 邮 箱 : sunying@buaa.edu.cn
§2 平衡态的统计分布律
2.1 概率分布函数 2.2 麦克斯韦分布律 2.3麦克斯韦-玻尔兹曼分布律、等温气压公式
2.4 能量均分定理、内能及热容
2.1 概率分布函数
功是过程量，为什么绝热功仅与初末态有关，与中间过程无关？
热量是过程量，若只有体积功，为什么定体条件下吸收的热 量与中间过程无关？
为什么等压摩尔热容大于等体摩尔热容？