气体分子运动学简要.ppt

引言,一、热学研究对象及内容,对象： 热力学系统,内容： 与热现象有关的性质和规律,二、研究方法,宏观方法：,微观方法：,气体动理论,热力学基础,从物质的微观结构出发，用统计平均方法,宏观状态间的变化和过程,用实验确定规律,热力学系统的平衡态,三、宏观量与微观量,宏观量： 表征系统整体的物理量，可具 体测量，如质量、体积、压强、温度等,微观量：描写单个微观粒子运动状态的物理量， 不能直接测量，如分子的速度，能量等,广延量,强度量,宏观量是微观量的统计平均值,1 .理解平衡态,准静态过程等概念. 掌握理想气体状态方程及其应用;,2 .理解理想气体的压强及温度的微观本质.,本次课的教学主要要求:,3. 理解能量按自由度均分的原理. 掌握和理解内能的概念.,重点,难点,理想气体的压强及温度的微观本质,内能,一 平衡态和准静态过程,热力学系统：,孤立系统,封闭系统,开放系统,平衡状态:,热力学系统达到的稳定不再有任何宏观性质变化的状态 .-热动平衡,注意： 平衡态与稳定态、 非平衡态的区别,热力学过程：,热力学系统状态变化的历程,描述：宏观状态参量,气体的状态参量:,压强 p, 体积V, 温度T.,平衡态用一组 ( p、V、T )表示,准静态过程:,准静态过程可用PV图上的一条曲线表示，称之为过程曲线。,如果在过程的任意时刻,系统都无限接近于一个平衡态. 它是由一系列依次接替的平衡态所构成的过程.,例如：准静态过程PV图上过程曲线,例: 准静态等温膨胀做功过程的模型 -体积从V1膨胀到V2,弛豫时间: 10-3 s,准静态传热过程的模型-温度从T1升高到T2 ：,(1) aF=32+1.8bC,热力学第零定律,多个热力学系统处于同一热平衡状态时所具有的共同(冷热度)宏观性质.,(2)t C =T(K) 273.15,理想气体温标: (K),不同单位温标间的换算:,温度定量描述法:,摄氏温度温标:,标准温度定点:水的三相点温度273.16(K),t (C),华氏温标: (F),与物质无关,经验温标,与物质有关,热力学温标,T (K),与物质无关,二 宏观状态参量-温度,一些实际的温度值,热力学零度(绝对零度)是不能达到的!, 热力学第三定律,三.理想气体的状态方程,气体的状态参量:,一定质量的理想气体,宏观状态间的变化和过程,*标准状态参数: 1摩尔气体,实验规律,普适气体常量,玻耳兹曼常量,理想气体的状态方程另一形式：,注意：每个物理量的意义！,理想气体的状态方程：,理想气体热力学系统典型准静态等值过程曲线,O,p,V,V2,V1,p,等体过程,等压过程,等温过程,图示法: V T .,例: 某种柴油机汽缸容量为0.82710-3m3.设压缩前其中气体(空气可视为理想气体)的温度是47C,压强为8.5 104Pa,当活塞急剧上升时. 可把空气压缩到原体积的1/17,压强增加到4.2 106Pa. 求此时空气的温度? 这时将柴油喷入汽缸将发生怎样的情况,分析,这一温度超过了柴油的燃点,所以喷入柴油会立即燃烧.,柴油的燃点220 汽油的燃点427,解:,将空气看作理想气体且质量不变,例: 容器内装有0.1kg氧气.压强为10105Pa,温度为47C.问: 容器的容积有多大?,解:(1)根据理想气体状态方程,(2)漏气后容器体积不变 设容器内的压强、温度分别为p、T, 质量为m,可见漏去气体质量m=m m =0.1 0.0667 = 0.0333 kg,由于容器漏气,经一段时间后压强降到原来的5/8,温度降到27C. 问:漏了多少氧气?(设氧气可看作理想气体),例: 一容器内贮有气体,温度是27C, (1)压强为1.013 105Pa时,在1m3中有多少个分子; (2)在高真空时压强为1.33 10 5Pa,在1m3中有多 少个分子?,解:,(1),(2),四. 理想气体的微观模型,对于由大量的分子组成的热力学系统,只在质心参考系中,用统计方法,讨论热现象和热学规律,实际基本特征:,混乱性和无序性,* 分子间有空隙。,* 分子之间存在相互作用力。,* 分子在频繁的相互碰撞，永不停息地作热运动。,(1)分子的体积可以忽略.,(2)分子服从经典运动规律.,(3)除碰撞瞬间外, 分子间的作用力可忽略.,(4 )分子之间,分子与器壁之间 的碰撞是完全弹性的.,对于理想气体，关于每个分子的力学性质的假设,五 大量分子统计性假设,(1)每个分子由于频繁碰撞速度不断在改变;,(2)平衡态时,分子按位置的分布均匀;,(3)平衡态时,分子速度按方向分布均匀,各方向运动机会均等,理想气体的热力学平衡状态下,分子的平方速率平均值,大量分子统计值!,结论: （1）压强是大量气体分子热运动统计平均 的结果, 对个别分子谈压强毫无意义!,（2）压强公式是一个统计规律，不是力学规律；,宏观上都是压强增大，但微观意义不同。,理想气体压强公式,六 压强公式,七 温度的本质和统计意义,根据:理想气体状态方程,理想气体压强公式,说明:,1.温度是描写热力学系统平衡态的物理量.,2.温度是一个统计概念.描述大量分子的集体状态.,4.温度与物体的整体运动无关.,3. 温度与分子热运动(平均平动能,平均转动,振动动能等) 有关.,贮有氮气的容器以速度v=100m/s 运动,当容器 突然停止,容器中的温度会升高吗?,思考:,根据理想气体的压强公式,分子的方均根速率 vrms,八 气体分子的方均根速率,（记住数量级！）,例如:T = 273K时，,解:,例: 求氮气分子的平均平动动能和方均根速率. 设(1) 在温度t =1000C时, (2)在温度t =0C时;,九. 能 量 均 分 定 理,自由度i:确定一物体在空间位置所需之独立坐标数.,i = 3 5 6 6 6 6,理想刚性分子自由度数目 i,能量均分定理,在温度为T 的平衡态下,气体分子每个自由度的平均 动能都相等且等于,每个气体分子的平均总动能:,( i= 6三个原子以上. ),单 原 子 分 子i= 3,刚性双原子分子i= 5,刚性三个原子分子i= 6,内能 = 动能（平动、转动和振动）+ 势能(分子内及分子间相互作用),理想气体的内能E=分子的平动动能+分子的转动动能,理想气体的内能,1 mol:,质量为