大学物理电子教案(第二篇热学).ppt

1,大学物理,热学,THERMOTICS,2,力学：研究物体机械运动。研究方法：牛顿力学的确定论。,热学：研究物体热运动。,第二篇热学,3,反映了气体分子热运动的特征：小、多、快、乱。,反映了分子热运动和体系宏观性质的联系。,4,二、统计规律性：,5,6.2平衡态理想气体状态方程,6,6.2.2系统状态的描述,一、宏观量（状态参量）压强（P）、体积（V）、温度（T）（可直接测量）,二、微观量分子的位置、速度、（不可直接测量）,7,8,9,【例题61】容积V=30L的高压钢瓶内装有P=130atm的氧气，做实验每天需用P1=1atm和V1=400L的氧气，规定氧气压强不能降到P2=10atm以下，以免开启阀门时混进空气。试计算这瓶氧气使用几天后就需要重新充气。,解：设瓶内原装氧气的质量为m,重新充气时瓶内剩余氧气的质量为m2,每天用氧的质量为m1,则按理想气体的状态方程有：,10,解：,【例题62】,11,(约为分子直径的10倍）,【例题63】,解：,12,*气体分子热运动的特征：小、多、快、乱。,*个别分子运动（微观量）无序大量分子运动（宏观量）有序（统计规律）,13,一、基本假设,14,*统计假设:,若忽略重力影响，达到平衡态时分子按位置的分布是均匀的,即分子数密度到处一样.,平衡态时，分子速度沿各方向分量的各种平均值相等。,15,二、压强公式的推导,1秒钟内i分子与器壁A的碰撞次数:,16,1秒钟给予器壁的冲量=i分子给器壁的平均冲力,则i分子给器壁的平均冲力:,N个分子的平均冲力：,N个分子给予器壁的压强:,A,17,由统计假设：,又：,18,*压强公式的意义：,*相互间不起反应的混合气体,19,四、温度的微观解释,理想气体的状态方程,压强公式,20,温度大观,大爆炸后的宇宙温度,宇宙微波背景辐射（2.735K）,稀释制冷,21,地球的平均温度为150C(288k),109种生物得以生存,冰河期:平均温度仅下降100C左右,就使大批物种灭绝.,可见,我们安乐的家园地球生物圈，在温度变化面前是何等的脆弱,22,高悬天际蔚蓝的地球,失控的温室效应造成高达4600C的干热金星,失控的冰川效应造成的零下几十度的冰冷火星,23,24,证：,【例题64】,25,6.4能量均分定理理想气体的内能,一、单原子分子的自由度(如He),同质点，具有3个平动自由度，用t=3表示。,质心平动自由度：t=3,所以只有两个独立坐标，称为转动自由度，表示为r=2。,两原子连线定位：,刚性双原子分子总自由度数：i=t+r=3+2=5,26,三、刚性三原子分子的自由度(如H2O),刚性三原子分子总自由度数：i=t+r=3+3=6,四、刚性多原子（三个以上）组成的分子的总自由度数同刚性三原子分子,考虑3号原子绕1、2号连线转动，需一角量，为转动自由度。,注：在本章中我们只讨论刚性分子,即不讨论振动自由度.,27,自由度,转动,平动,刚性分子的自由度i,单原子分子,双原子分子,三原子(多原子)分子,28,6.4.2能量均分原理,二、能量按自由度均分原理：处于平衡态的气体分子每一自由度（平动，转动）所占有的能量都为,一、推导,29,三、理想气体的内能,当理想气体确定，内能是气体状态的单值函数,mkg理想气体的内能：,分子热运动的平均动能:,1mol理想气体的内能：,30,【例题65】一容器内装有理想气体，其密度1.2410-2kg/m3,当温度为273K，压强为1.013103Pa时，试求：（1）气体的摩尔质量，并确定它是什么气体？（2）气体分子平均平动动能和转动动能各是多少？（3）单位体积内分子的平动动能是多少？（4）若该气体是0.3mol,其内能是多少？,31,（2）气体平均平动动能和转动动能各是多少？,（3）单位体积内分子的平动动能是多少？,单位体积内分子的总平动动能为：,32,根据内能公式得:,（4）若该气体是0.3mol,其内能是多少？,33,【例题66】有二瓶不同的气体，一瓶是氦气，一瓶是氮气，它们压强相同，温度相同，但容积不同，则单位容积的气体内能是否相同？,解：,34,【例题67】问答题：(1)当盛有理想气体的密封容器相对某惯性系匀速运动时，能否说容器内分子的热运动速度相对这参照系也增大了，从而气体的温度也因此升高了，为什么？,答：（1）公式揭示了温度的微观本质,即温度仅是分子热运动的平均平动动能的量度，与是否有定向运动无关，所以当容器发生定向运动时，虽然每个分子在此时原有的热运动上迭加了定向运动，但不会因此而改变分子的热运动状态，所以气体温度不会升高。,35,答：容器突然停止运动时，分子的定向运动动能经过分子与容器壁的碰撞及分子间的相互碰撞，从而发生能量的转化，定向运动的机械能转化为分子热运动动能，气体的内能增加了，所以气体的温度升高了；由于容积不变，所以气体的压强也增大了。,问答题：（2）假如该容器突然停止运动，容器内气体的压强、温度是否变化，为什么？,36,*理想气体温度公式:,*理想气体压强公式:,分子热运动平均平动动能,*理想气体的内能：,37,只有满足此条件的分子才能同时通过两缝。,38,二、速率分布函数,39,40,41,*同种气体的分布函数和温度的关系,42,四、麦克斯韦速率分布律的应用,*平均速率,物理意义：若把整个速率范围划分为许多相等的小区间，则分布在vP所在区间的分子数比率最大。,*方均根速率,43,讨论：,2.三种速率应用于不同的问题,44,其中:,解：,【例题68】,45,【例题69】,46,47,解:,【例题610】,48,(任何物质分子在保守力场中分布的统计规律),*玻尔兹曼分布率,*重力场中粒子按高度的分布,49,2.等温大气压强公式（高度计原理）,假设：大气为理想气体，不同高度处温度相等,每升高10米，大气压强降低133Pa。近似符合实际，可粗略估计高度变化。,50,一、平均碰撞次数：,6.7分子碰撞及自由程,51,考虑其他分子都运动，则：,二、平均自由程,52