《气体和凝聚态》PPT课件.ppt

第2篇 热力学与统计物理初步 道尔顿 葛正权 焦耳 爱因斯坦 卡诺 开尔文 克劳修斯 波义耳 麦克斯韦 波尔兹曼 狄拉克 费米 昂尼斯 玻色 德拜 吉布斯 维恩 普朗克 篇序 研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影响研究物质热运动与其它运动形态之间的转化规律 一热学的研究对象 二研究方法 1 统计物理研究方法 从物质的微观结构出发 依据每个粒子所遵循的力学规律 用统计的方法研究宏观物体的热力学性质 优点 深入热现象的本质对其作出理论解释 能够解释决定宏观物理量的微观决定因素 物理过程与物理意义清晰 缺点 定量统计 需要理想近似物理模型 因而常带有近似色彩 与实验结果有一定误差 2 热力学研究方法 由观察和实验总结出热力学定律 用严密的逻辑推理方法研究宏观物体的热力学性质 优点 热力学根据热现象给出普遍 可靠的结果 可用来验证微观理论的正确性缺点 常带有经验或半经验性质 不能从本质上阐述热现象的深刻含义以及宏观测量对微观测量的依赖关系 第9章气体和凝聚态 考虑分子间的相互作用 重点讨论气体和固体的热性质 聚集态 无序的分子热运动与分子间相互作用力造成的有序运动达到平衡时 所构成的物质稳定结构 称为物质的凝聚态或物态物态分类 气态 液态 固态凝聚态 固态 液态两种物态通常称为凝聚态凝聚态的微观结构分类 晶态 非晶 液晶 超导 超流等离子 超固态 中子态 一实际气体的等温线实验结果 9 1范德瓦耳斯方程 GA段 与理想气体等温线相似 比容随压强减小而增大AB段 比容减小 压强不变 气液共存BD段 比容几乎不变 压强迅速增大 液态不易压缩随着温度升高 气液共存段缩短T 31 1 C时 出现气液共存的拐点 称为临界点临界温度 临界压强 临界比容称为临界参数物质处于临界点时 会出现许多特殊现象 如强烈散射光产生的临界乳光现象Pc 73 9 105PaTc 304 19K c 468kg m3 二范德瓦耳斯方程 1 理想模型 刚球模型 r d时 排斥力趋于无限大r R时 吸引力趋于零 2 分子体积 排斥力 引起的修正 1mol分子自由运动的实际体积 标准状态下Vm 2 24 10 2m3 molb 1 2 10 6m3 mol当p 109Pa时Vm 2 24 10 6m3 mol 考虑分子体积后 气体状态方程修正为 3 分子引力引起的修正 1 容器壁与分子间的相互作用 容器壁与分子间的相互作用不引起压强修正 2 分子间的相互作用 对靠近容器壁的分子 因内部气体引力引起的压强修正为压强修正正比于器壁附近的分子数密度压强修正正比于容器内部的分子数密度上述两类分子数密度正比于容器内部分子数密度n 其中 考虑分子体积 引力后 气体状态方程为 对任意质量的气体系统 考虑分子体积 引力后 气体状态方程 范德瓦耳斯方程 可修正为 三范德瓦耳斯方程等温线 AA 段 过饱和气体或过冷气体气体不液化 但只要有凝聚核 则迅速凝结 云室BB 段 过热液体纯净液体不气化 液体在等温减压下继续膨胀 只要有粒子穿越过热液体 会迅速形成小气泡 气泡室A B 段 实验中不存在 四实际气体的内能 1实际气体的内能计算公式 实际气体体积从V1膨胀到V2时 势能改变量 取V2 时分之间的势能为零 即 则实际气体的内能为 2实际气体的节流膨胀实验 实际气体节流膨胀时 系统势能增加 分子动能减小 温度降低 制冷原理 例 确定范德瓦耳斯系数a和b与临界参数间的关系 解 对1mol气体 范德瓦耳斯方程为 在临界状态下 联立求解上述方程组可得 9 2气体输运过程 平均自由程 两刚性分子相邻两次碰撞质心之间距离的最小平均值 平均碰撞频率 单位时间内刚性气体分子的平均碰撞次数 一平均自由程公式 碰撞模型 认为一个分子以相对速率与其它静止分子发生弹性碰撞 二热传导 热传导 热量从高温区向低温区的传递过程 不含分子对流 1处理输运过程的一次碰撞假设 气体分子A进入某平衡态系统后 经一次碰撞 其力学参量就与平衡态其它分子力学参量的平均值相同 2一维热传导问题 一方面 热传导就是 S两侧气体分子交换能量的结果另一方面 热传导规律可由实验确定 1 热传导问题的微观实质 分子对数目 由平衡态各向同性假设 交换一对分子的能量差 由一次碰撞假设 交换一对分子带来的能量差 联立求解上述三式 负号表能量左传 2 热传导的实验定律 热运动能量 热传导系数 三粘性 粘力 流动气体 液体 流速不等的各流动层间的内摩擦力 1 粘性问题的微观实质 分子对数目 由平衡态各向同性假设 交换一对分子的能量差 由一次碰撞假设 交换一对分子带来的能量差 负号表动量下传 2 粘性的实验定律 粘度 四扩散 扩散 混合其体内 由