《物质的微观模型》PPT课件.ppt

气 体 动 理 论,第 十二 章,研究对象,热运动: 构成宏观物体的大量微观粒子的永不停息的无规则运动.,热现象: 与温度有关的物理性质的变化.,研究对象特征,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 .,宏观量: 表示大量分子集体特征的物理量(可直接测量), 如 p，V，T 等.,微观量: 描述个别分子运动状态的物理量(不可直接测量)，如分子的m ， 等.,宏观量,微观量,研究方法,1 热力学 宏观描述,(1)具有可靠性； (2)知其然而不知其所以然； (3)应用宏观参量.,2 气体动理论 微观描述,(1)揭示宏观现象的本质； (2)有局限性，与实际有偏差，不 可任意推广.,宏观物体都是由大量不停息地运动着的、彼此有相互作用的分子或原子组成 .,如IBM的科学家们利用原子力显微镜将35个Xe 原子排列成 IBM 的字母图案.,现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大小以及它们在物体中的排列情况, 例如 X 光分析仪,电子显微镜, 扫描隧道显微镜等.,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.,阿伏伽德罗常数：1 mol 任何物质所含的分子(或原子)的数目均相同. 这个数目称为阿伽德罗常数, 其大小为,热运动：大量实验事实表明分子都在作永不停止的无规则运动 .,/19,一、气体的物态参量,对于一定质量的气体, 除它的质量M和摩尔质量Mmol, 它的状态一般可用体积、温度、压强三个参量来表示, 这三个物理量叫做气体的物态参量.,1. 气体的体积 V (几何描述),气体所占的体积是指气体分子活动所能达到的空间范围.,气体体积的单位: 国际单位制中为立方米, 符号为m3;,1立方米=103立方分米=106立方厘米=109立方毫米,另一个常用单位是升, 符号为L: 1L=1 dm3 =10-3 m3,即 1m3 = 103dm3 =106 cm3 = 109mm3,注意: 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.,/19,气体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.,气体的压强是气体分子对器壁碰撞的宏观表现.,气体压强的单位: 国际单位制中, 压强的单位是帕斯卡. 符号为Pa,/19,2. 气体的压强 P (力学描述),标准大气压: 纬度海平面处, 时的大气压.,从宏观上讲, 温度表示物体的冷热程度；,3. 气体的温度 T (热学描述),从微观上讲, 温度反映物质内部分子运动的剧烈程度.,温度的数值标定方法叫温标.,国际单位制中, 温度采用热力学温标 T; 单位名称是开尔文, 符号为K;,另一个常用单位是摄氏温标 t; 单位名称是摄氏度, 符号为 0C.,两种温标的关系: T=273.15 + t; 或 t = T 273.15,/19,二 平衡态,一定量的气体，在不受外界的影响下，经过一定的时间，系统达到一个稳定的 宏观性质不随时间变化的状态称为平衡态.,(1)单一性 ( p ， T 处处相等)； (2)物态的稳定性 与时间无关； (3)自发过程的终点； (4)热动平衡(有别于力平衡).,处于平衡态的气体状态可以用一组物态参量p、V、T表示.,三、理想气体物态方程,对于一定质量的气体, 当p,V,T中任一参量发生变化时, 将引起其它参量的变化.,p,V,T的变化遵守什么样的规律 ?,(1),(1)式称为气体的物态方程.,对于实际气体, 其状态方程一般是很复杂的.,本节只讨论一种理想模型-理想气体的物态方程.,/19,1. 理想气体的微观模型,(i) 分子可视为质点:,分子大小为 d 10-10m ; 而分子间的距离为d 10-9m .,a、满足下列条件的气体被称为理想气体.,(ii) 除碰撞瞬间外, 分子间无相互作用力；,(iv) 单个分子的运动遵从经典力学的规律 .,(iii) 分子间的碰撞可视为完全弹性碰撞；,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.,物态方程: 理想气体平衡态宏观参量间的函数关系 .,b、理想气体宏观定义: 遵守三个实验定律的气体.,2. 理想气体的物态方程,根据玻意耳定律、盖吕萨克定律等实验定律和阿伏伽德罗定律, 可以得到理想气体的物态方程为,N是体积V中的气体分子数;,k称为玻耳兹曼常数, 其值为 k = 1.38 10-23 J K-1 ( 焦耳开-1),/19,对一定质量的同种气体,3. 理想气体物态方程的其它形式,(i) 用摩尔数表示气体分子数量的物态方程,因为一摩尔任意气体中的分子数为 NA= 6.02 1023 mol-1,式中 R=NA k称为摩尔气体常数 . 其值为 R = 8.31 J mol-1 K-1 .,(3),所以N个气体分子的摩尔数 为: =N/NA, 即 N= NA .,因此, 物态方程(2)式可以写成,(ii) 用质量表示气体分子数量的物态方程,(4),设每个气体分子的质量为m, 气体的总质量为m=Nm;,式中M=mNA是一摩尔气体分子的质量. 即通常所称的摩尔质量.,/19,(iii) 用气体分子数密度表示的物态方程,(5),n=N/V是气体分子数密度, 即单位体积中的气体分子数.,两个具有不同温度的物体相接触时, 热量将从温度高的物体传递到温度低的物体.,四、热力学第零定律,若TATB, 则热量从A传到B.,直到TA=TB, 热量传递停止; 这时称A和B达到热平衡.,两个物体不相接触, 如下图所示.,如何才能知道A和B是否达到热平衡 ?,/19,找第三个物体C, 如温度计C, 分别与A和B相接触.,若A与C处于热平衡, 即TA=TC;,B与C也处于热平衡, 即TB=TC;,则A与B也处于热平衡, 即TA=TB.,这一结论称为热力学第零定律.,/19,热力学第零定律: 如果物体A和B分别与物体C处于热平衡的状态，那么A和B之间也处于热平衡.,第一节,一 分子的线度和分子力,分子有单原子分子、双原子分子、多原子分子和千万个原子构成的高分子.,不同结构的分子其尺度不一样,分子的大小：直径在 10-10m 的数量级.,1. 分子的线度和分子间距,气体和液体或固体有什么区别 ?,- 气体密度很小 !,对于气体来说, 单位体积中的分子数很少 ! - 分子间的距离很大 !,液体和固体中, 分子间的距离与分子的直径相差不大, 约为25倍;,对于气体: 在标准状态下, 气体分子间的平均距离比分子直径大10倍以上.,因此, 在标准状态下, 气体分子占有的体积是气体分子本身体积的1000倍以上.,研究气体运动时, 可以将气体分子看成质点.,气体分子间的平均距离大于10-9m.,/19,1. 分子的线度和分子间距,(i) 分子间的吸引力,分子能聚集成液体和固体, 说明分子间有吸引力.,(ii) 分子间的排斥力,液体和固体都是很难压缩的, 说明分子间有排斥力.,吸引力和排斥力都和分子间的距离有关.,其合力与分子间距离的关系如图所示.,2. 分子间的作用力,/19,因为气体分子间距离10-9m, 所以气体分子间的作用力可忽略不计.,由图示可见, 分子力有如下规律:,2. 分子间的作用力,/19,斥力,引力,二、分子运动的无序性及统计规律,1. 分子运动的无序性,热运动：大量实验事实表明分子都在作永不停止的无规则运动 .,分子力是使物质内的分子聚集; 而热运动是使分子尽量分开;,这两个因素的相对强弱决定了物质是固体、液体还是气体.,对于气体, 分子可以“自由”运动, 分子在运动时要不断与其它分子相互碰撞.,分子间不断交换能量, 从而使气体内各部分分子的平均速率相同; 气体各部分的温度和压强趋于相等, 从而达到平衡状态，分子在做热运动时是无序的.,无序性是气体分子热运动的基本特性,/19,二、分子运动的无序性及统计规律,(i). 单个分子的运动遵从牛顿定律.,2. 分子运动的统计规律,大量的分子做无序热运动, 难道就没有什么规律吗 ?,当然不是 !,(ii). 大量分子的运动不遵从牛顿定律.,(iii). 大量分子的运动遵从统计规律.,统计规律是指大量偶然事件中所包含的确定性规律.,气体处于平衡态时，不管个别分子的运动状态具有何种偶然性，但大量分子的整体表现却是规律的.,3. 统计规律性,例 1 投掷硬币的实验:,每一次向空中抛硬币, 当硬币落到地面上时, 是有字的一面向上,