温度和气体动理论1.ppt

1,复习：刚体,1：角动量定理,转动物体所受合外力矩的冲量矩,等于在这段时间内转动物体角动量的增量。角动量也称动量矩。,2： 角动量守恒定律,注意：,刚体中的角动量和力矩都是指转轴方向上的分量，或者说相对于转轴的角动量和力矩。,2,例题：质量为m1, 半径为r1的匀质圆轮A，以角速度绕通过其中心的光滑轴转动，若此时将其放在质量为m2, 半径为r2的另一匀质圆轮B上，轮B原为静止，但可绕通过其中心的水平光滑轴转动。放置后A轮的重量由B轮支持，水平横杆质量不计。设两轮间摩擦系数为。A，B轮对各自转轴的转动惯量分别为0.5m1R12和0.5m2r22。证明：A轮放在B轮上到两轮间没有相对滑动为止，经过的时间t为：,A,B,特点：没有共同的转轴！,解： 定义向里为正,分析受力和运动,A:,B:,连接条件：,4,大学基础物理学,第二篇,热 学,5,第9章 温度和气体动理论 第10章 热力学第一定律 第11章 热力学第二定律,6,热学研究的是自然界中物质与冷热有关的性质及这些性质变化的规律。 大量分子（原子）的无规则运动导致了物质冷热现象的产生。即热学研究的是物质的分子（原子）热运动。,一、热学的研究对象:,热现象: 物质受温度影响，其物理性质发生变化的现象统称热现象。 例如：物体的热胀冷缩；固、液、气三态的相互转变；软钢淬火变硬；硬钢退火变软等。上述现象是宏观现象。 从微观来看，热现象就是系统大量分子、原子热运动的集体表现。,热 学 概 述,7,两者虽然都是研究物质热现象和热运动规律的学科，但方法不同，二者相辅相成缺一不可。 气体动理论 着重阐明热现象的微观本质，针对所研究的大量微观粒子的运动运用统计的方法进行概率性的描述。 热力学 着重阐明热现象的宏观规律，它是以大量实验事实为基础,从能量的观点出发, 分析研究热功转换的关系和条件,以及消耗能量作功等一系列技术问题。,二、气体动理论和热力学的研究方法:,热运动： 宏观物体内大量微观粒子一种永不停息的无规则运动。,8,第9章 温度和气体动理论,9.1 平衡态 9.2 温度的概念 9.3 理想气体温标 9.4 理想气体状态方程 9.5 气体分子的无规则运动 9.6 理想气体的压强 9.7 温度的微观意义 9.8 能量均分定理 9.9 麦克斯韦速率分布律 9.10 麦克斯韦速率分布律的实验验证 9.11 玻尔兹曼分布律* 9.12 实际气体等温线* 9.13 范德瓦耳斯方程* 9.14 非平衡态 输运过程*,9,基本概念：,系统、外界、宏观、微观、平衡状态、温度,状态方程：理想气体状态方程,9.1 平衡态,1. 系统与外界,热力学系统（系统） ：热学中的研究对象。,外界：系统以外的物体。,2.宏观描述,宏观描述：对系统的状态从整体上加以描述。,宏观量：宏观描述系统状态和属性的物理量。,宏观量可以直接用仪器测量，而且通常能够被人的感官所察觉。,如体积V、温度T、压强P、化学组成等 。,注意,第9章 温度和气体动理论,10,微观粒子：分子和原子的统称。线度大约是10-910-10米。 微观描述：通过对微观粒子运动状态的说明而对系统状态的描述。 微 观 量：描述一个微观粒子运动状态的物理量。如分子质量、速度、位置等,3.微观描述,4.宏观描述和微观描述的关系,描述同一物理现象的两种方法 宏观现象是它所包含的大量微观粒子运动的集体表现，因此宏观量总是一些微观量的统计平均值,微观量不能被我们的感官直接观察到，一般也不能直接测量。,注意,11,5.平衡态：,在不受外界影响的条件下，一个系统的宏观性质不随时间改变的状态。,发现系统的各宏观参量之间的关系-宏观热力学规律 求微观量的统计平均值，了解宏观规律的本质,1. 从微观角度来看系统处于动态平衡。 2. 系统的平衡态可以用不多的几个宏观状态量来描述，宏观状态参量满足一定的关系。,注意：,热学,12,3. 平衡态是一个理想的概念，是在一条件下对实际情况的概括和抽象。许多实际状态可以当作平衡态处理，可以得到与实际情况基本相符的结论。,理想气体状态方程：,13,9.2 温度的概念,1.热平衡：,两个(或多个)系统仅由于接触时交换能量而共同达到的一种平衡态。,14,二 、温度：,温度就是描述多个系统（或者一个系统的各个部分）处于热平衡时所用的一个宏观状态参量。处于热平衡的多个系统具有相同的温度，具有相同温度的几个系统放在一起，它们一定处于热平衡状态。,二、热力学第零定律：,如果系统A和系统B分别与系统C的同一状态处于热平衡，那么当A和B接触时，它们也必定处于热平衡。,温度的测量就是根据热力学第零定律和温度的概念进行的。,15,9.3 理想气体温标,一、温标：,温度的数值表示方法。,二、玻意耳定律：,一定质量的气体在一定的温度下，其压强P 和体积V的乘积是个常量。,注意：气体压强越小时此定律符合得越好。,PV=常量 (温度不变),三、理想气体,在各种压强下都严格遵守玻意耳定律的气体。,注意：它是各种气体在压强趋于零时的极限情况，是一种理想模型。,16,理想气体PV,水的三相点温度：,3273.16K,P34.58mmHg609 Pa,理想气体温标：,四、理想气体温标,保温瓶,冰水混合物,温度计阱,冰衣,纯水,水汽,水的三相点装置图,17,定体气体温度计,定体（体积保持不变）气体温度计测量：,18,注意：稀薄的实际气体接近理想气体，温度很低时气体将液化，气体温度计失效。气体温度计所能测量的最低温度为0.5K(这时用3He气体),热力学温标与任何物质特性无关，在理想气体温标有效范围内，理想气体温标和热力学温标是完全一致的，符号T，单位是 K 。,五、热力学温标（绝对温标）：,摄氏温标：摄氏温标记号 t , 单位是C,热力学温度T和摄氏温度的关系是：t=T-273.15,19,9.4 理想气体状态方程,实验表明，表示平衡态的三个参量P、V、T之间存在着一定的关系。把反映气体的P、V、T之间的关系叫做气体的状态方程。一般气体，在密度不太高、压强不太大（与大气压比较）和温度不太低（与室温比较）的实验范围内，遵守玻意耳定律、盖吕萨克定律和查理定律。,注意：对于不同气体，这三条定律的适用范围不同，不易液化的气体，如氮、氧、氢，氦等适用的范围比较大。,实际上在任何情况下都服从上述三条实验定律的气体是没有的。,六、热力学第三定律：,热力学零度不可能达到。,20,（1） 理想气体,将实际气体抽象化，认为能无条件服从上述三条实验定律的气体称为理想气体。,P0, V0, T0标准状态 下的参量,（2） 理想气体状态方程,kRNA1.3810-23 J/K,普适气体常量R：,玻耳兹曼常量：,阿伏伽德罗常量：,1mol气体的分子数为6.021023个,NA6.021023 /mol,阿伏伽德罗定律： 在相同温度和压强下，1mol各种理想气体体积相同。,理想气体状态方程,（3） 理想气体状态方程的变形,22,n分子数密度,M气体(分子)总质量,m气体分子质量,Mmol气体分子摩尔质量,N气体分子总分子数,例1：求大气压强p随高度h变化的规律。设空气的温度不随高度改变。,解：重力,恒温气压公式,25,9.6 理想气体的压强,一、状态参量,在一定条件下，当物体的状态保持不变，为描述物体的特性而采用的物理量。如体积、温度、压强、浓度等 。对于一定质量的气体，除它的质量M和摩尔质量Mmol，它的状态一般可用下列三参量来表示：,1. 气体所占的体积V：,气体分子活动所能达到的空间范围。,气体动理论着重阐明热现象的微观本质。针对所研究的大量微观粒子的运动运用统计的方法进行概率性的描述。,26,2. 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。,（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;,注意：,27,由实验可知，热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现，人们把大量分子的无规则运动叫做分子热运动。,分子热运动的基本特征,分子热运动的基本特征是分子的永恒运动和频繁相互碰撞。,二、分子布朗运动,28,1. 在标准状态下，同一物质： 气体 0.001 液体; d 气体 10 d液体。 所以把气体看作是彼此相距很大间隔的分子集合。 2. 在气体中,由于分子的分布相当稀疏,分子与分子间的相互作用力,除了在碰撞的瞬间外,极其微小。 3. 分子碰撞的瞬间大约是10-12 秒, 两次碰撞之间的平均时间约为10-10秒。因此 ,在分子的连续两次碰撞之间,分子的运动可看作由其惯性支配的自由运动。,气体分子运动的一般特征：,三、关于每个分子的力学性质的假设理想气体的微观模型,(1)气体分子的大小与气体分子间的距离相比较,可以忽略不计。,(2)因为气体分子间的平均距离相当大,所以除碰撞的瞬间外,分子间及分子与器壁间无相互作用.,注意:这个假设体现了气态的特性。,注意:除非研究气体分子在重力场中的分布情况,否则,因分子的平均动能远大于重力场中的势能,所以这时分子所受重力可忽略。,30,(4)气体分子的运动服从经典力学规律。,总之,气体被看作是极小、彼此间无相互作用、遵从牛顿定律的弹性质点。,(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。,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。,31,四、关于分子集体的统计性假设统计规律,尽管个别分子的运动是杂乱无章的，但就大量分子的集体来看，却又存在着一定的统计规律。,(3) 分子沿各个方向运动的机会是均等的，没有任何一个方向上气体分子的运动比其它方向更占优势。即沿着各个方向运动的平均分子数应该相等。,分子速度在各个方向的分量的各种平均值相等。,每个分子运动速度各不相同，而且通过碰撞不断变化。 在热力学平衡状态下，气体分子的空间密度是均匀的。,注意： 后两条假设是一种统计性假设，只适用于大量分子的集体。,33,五、气体动理论的统计方法,对个别分子（或原子）运用牛顿定律求出其微观量，如质量、速度、能量等，再用统计的方法，求出大量分子关于微观量的统计平均值，并用来解释在实验中直接观测到的物体的宏观性质，如温度、压强、热容等。,六、理想气体的压强公式的推导,（3） 应用统计假设,求器壁所受的平均正压力。,思路：,（1）用牛顿定律先求一个分子对器壁的压力;,（2）全体分子作用于器壁的压力;,34,六、理想气体的压强公式的推导,把所有分子按速度区间分为若干组，在每一组内的分子速度大小方向都差不多相同。,设第 i组分子的速度区间为：,以 ni 表示第 i 组分子的分子数密度,总的分子数密度为：,设器壁上面积元dA 法向为 x 轴,一定质量的处于平衡态的某种理想气体，被封闭在体积为V的任意形状的容器中。,任意一 个分子速度：,35,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：,在 dt 时间内与dA碰撞的分子数（即斜柱体内的分子）：,ni vix dt dA,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：,36,由分子统计假设,分子平均平动动能：,理想气体的压强公式：,气体对器壁的宏观压强为：,37,（4）理想气体的压强公式揭示了宏观量压强P的微观实质。,9.7 温度的微观意义,根据理想气体的压强公式和状态方程，可以导出气体的温度与分子的平均平动动能之间的关系，从而揭示宏观量温度的微观本质。,1.温度的本质和统计意义:,注意：,（1）气体的压强大小取决于单位体积内的分子数和分子的平均平动动能。,（2）气体压强不仅作用在器壁上，也作用在气体内部，当气体处于平衡态时，气体内部及气体作用在器壁上的压强处处相等。,（3）p、n、t都是统计平均量，它们三者的关系是个统计规律而不是力学规律。,38,气体的温度是气体分子平均平动动能的量度； 反映了物体内部分子无规则运动的激烈程度。,kRNA1.3810-23 J/K 称玻耳兹曼常量,温度的微观意义：,注意：,（1）温度是描述热力学系统平衡态的一个物理量。“动态平衡” （2）温度是大量气体分子热运动的集体表现，具有统计的意义，对于个别分子并无意义。 （3）当两种气体有相同的温度时，意味着两种气体分子的平均平动动能相等。 （4）温度反映的是无规则的运动，和物体的整体的有规则的运动无关。,39,（5）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。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。,2.气体分子的方均根速率vrms:,由上式可见,在相同温度时,虽然各种分子的平均平动动能相等,但它们的方均根速率并不相等。,注意:,例: 求0oC时氢分子和氧分子的平均平动动能和方均根速率。,解:,41,1.一定质量的气体,当温度不变时,压强随体积减小而增大;当体积不变时, 压强随 温度升高而增大，从宏观上说,这两种变化都使压强增大;从微观上说,它们是否有区别?,2.两种不同种类的理想气体,压强相同,温度相同,体积不同, 试问单位体积内的分子数是否相同?,3.两瓶不同种类的气体,分子平均平动动能相同,但气体的分子数密度不同,试问他们的压强是否相同?,4.两瓶不同种类的气体,体积不同,但温度和压强相同,问气体分子的平均平动动能是否相同?单位体积中的分子的总平动动能是否相同?,问题：,（答案：前者是由于分子碰撞次数增加导致,后者是由于运动加剧导致）,（答案:相同）,（答案:不同）,（答案:相同,相同）,42,9.8 能量均分定理,一、分子的自由度 i :,实际气体分子具有一定 的大小和比较复杂的结构,不能看作质点。因此，分子的运动不仅有平动,还有转动,以及分子内原子间的振动。分子热运动的能量应把 这 些运动的能量都 包含在内。为了说明分子无规则运动的能量所遵从的统计规律,并在此基础上计算理想气体的内能,下面将介绍力学中自由度的概念。,1.自由度定义 :,确定一个物体位置所需要的独立坐标个数称该物体的自由度。,在空间自由运动的质点,它的位置用三个独立坐标(x,y,z)确定。,(1)质点的自由度,火车运动：一维运动，自由度为一个。,43,P（x,y,z),(2)刚体的自由度:,刚体位置的确定共需要六个自由度。,确定刚体上某一点位置:,确定刚体转轴的方位:,确定刚体绕转轴转过的角度,需要一个自由度();,需要二个自由度(,);,需要三个自由度(x,y,z);,飞机运动(三维),自由度为三个;,轮船运动(二维),自由度为二个;,44,(3)气体分子模型自由度,单原子分子模型:,质心需要三个平动自由度;两原子需要二个转动自由度,一共五个自由度;,刚性双原子分子模型:,弹性双原子分子模型:,质心需要三个平动自由度;两原子连线方位需要二个转动自由度,一个沿连线方位的振动自由度。,如氦原子,如氧气分子,i=t+r=3+2=5,需要三个平动自由度 i=t=3;,i=t+r+s=3+2+1=6,刚性三原子以上分子模型:,i=t+r=3+3=6,小结：n个原子组成的分子最多是3n 个自由度。常温下振动自由度可以不考虑。,O2,45,上式表明,气体分子沿x、y、z三个方向运动的平均平动动能完全相等；即可以认为，分子的平均平动能 是平均地分配在每一个平动自由度上的。因为分子 平动有3个自由度，所以相应于每一个平动自由度的能量是,二、能量均分定理,1. 理想气体分子的平均平动动能：,按理想气体的统计假设：,2. 意义,46,3. 推广：,在平衡态下，气体分子的每一个自由度都 具有相同的平均动能 。如果气体分子有i 个自由度，则每个分子的总平均动能就是 .,问题：,单原子分子，刚性双原子分子，弹性双原子分子以及刚性三原子以上分子的平均动能各是多少？,注意：,能量均分原理是个统计规律，仅对大量分子平均而言，对个别分子并不适用。,47,三、理想气体的内能,1. 气体的内能包括哪些？,气体的内能 = 气体分子的内动能 + 分子间相互作用势能,2. 理想气体的内能包括哪些？,理想气体的内能=所有气体分子各种运动动能的总和,问题：,3. 内能与机械能有什么区别？,机械能可以为零，而内能永不为零。,一摩尔理想气体的内能,M千克理想气体的内能,48,复习：,1. 理想气体压强,2. 温度,气体的温度是气体分子平均平动动能的量度； 反映了物体内部分子无规则运动的激烈程度。,温度的微观意义：,49,3. 方均根速率,4. 理想气体的平均平动动能与平均动能,5. 理想气体的内能,50,1.三个容器内分别储有1mol氦气(He),1mol氢气(H2),1mol氨气(NH3)( 三种气体均 视为刚性分子的理想气体),若它们的温度都升高 1K , 则三种气体内能的增加分别是多少？,问题：,1摩尔气体的内能( )。,分子的平均平动动能( );,分子的平均总动能( );,分子的平均总能量( );,1摩尔气体分子的总转动动能( );,2.写出下列各量的表达式： 某种刚性双原子分子的理想气体处于温度为T的平衡态下:,(答案:12.5J,20.8J,24.9J),51,(答案: 1:8; 1:1; 5:24),3.有一个处于恒温条件下的容器,其内贮有1mol某种理想气体, 若容器发生缓慢漏气,试问容器内气体分子的平均平动动能是否改变?气体的内能是否改变?,（答案: 不变,变),4.两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),5.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 ;氧分子和氦分子的平均平动动能之比为 ;氧和氦内能之比为_.,52,9.9 麦克斯韦速率分布律,一、 统计规律：,个别分子： 速度大小和方向是毫无规则的或是偶然的，因而分子热运动速率是由0 的连续随机变量。 大量分子整体： 在平衡态下，它们的速率分布遵从一定的统计规律。,“伽尔顿板”统计规律实验图:,二、 速率分布函数 f(v) 的物理意义,将速率分成若干相等的区间,如,53,设任一速率区间为:,设总的气体分子数为N,在该区间内的分子数为N,分布在速率 v附近单位速率间隔内的分子数,分布在速率 v附近单位速率间隔内的分子数占总分子数的比率。,当,1. 速率分布函数 f(v) 的定义：,在平衡态下，f（v）仅是v 的函数。,注意：,54,2. 速率分布函数 f(v) 的意义：,分布在速率 v附近单位速率间隔内的分子数占总分子数的百分比；,当速率分布函数已知,求速率区间v1，v2内的总分子数为多少？,3. 麦克斯韦分子速率分布律,早在1859年，麦克斯韦应用统计概念和力学原理导出在平衡态下气体分子速率分布函数的具体形式,对单个分子来说，它表示分子具有速率在该单位速率间隔内的概率 。,问题：,55,问题：,(3)如图(a)曲线下的阴影面积的物理意义是什么？,(4)如图(a)曲线下的总面积的物理意义是什么？,根据,答：f（0）=0。,答：f（）=0,即速率区间vv+v内的分子数占总分子数的 比值。,归一化条件,图(a)某一温度下速率分布函数曲线,56,三、 分子三种特殊速率的统计平均值,(1)算术平均速率,(2)方均根速率,57,(3)最概然速率vp,最概然速率是指在任一温度T时,气体中分子最可能具有的速率值。,(4)三种速率的关系,某一温度下分子速率的三个统计值,即在v =vp时,分布函数应有极大值。,58,问题:,如图(1)所示,三条曲线分别代表同一种气体在不同温度下的速率分布曲线,试判断它们所代表的温度关系。,答 :T1T2T3,59,如图(2)所示,三条曲线分别代表同一种温度下不同分子的速率分布曲线,试判断它们所代表的质量关系。,答 :m3m2m1,图(2),vp,60,3.气体处于平衡态时,分子速率分布曲线如图(3)所示,图中 A、B 两部分的面积之比为1:2,则它们的物理意义是什么?,5.某气体分子在温度T1时的方均根速率等于温度为T2时的平均速率,则该二温度之比为T2/T1=?,(答案:3:8),4.在图(4)中, 两条曲线分别表示相同温度下, 氢气和氧气分子的速率分布曲线,则a表示什么 气体分子的速率分布曲线;b表示什么 气体分子的速率分布曲线, 又氧气分子和氢气分子的最概然速率之比为 vpO2:vpH2 =?,(答案:氧;氢;1:4),61,四、玻尔兹曼分布律,玻尔兹曼把麦克斯韦分布律推广到气体分子在任意力场中运动的情形 。,麦克斯韦首先得到的是速度分布率。,区间分子数占总分子数为：,-E代表分