第一讲-理想气体压强、温度及状态方程...ppt

大学物理学热学,热学,物质与冷热有关的性质，以及性质随冷热变化的规律。,研究与热现象有关的理论,研究对象：,热力学系统,（宏观系统）,包含极大量的分子、原子（NA=6.0231023）；分为孤立系统、封闭系统、开放系统。,热力学：,统计物理学：,观察+实验,归纳,宏观规律,推理,粒子运动及相互作用,力学规律,统计方法,微观理论,热力学系统（孤立系统、封闭系统、开放系统）,统计物理（本书第一章只讨论气体分子运动论部分）,研究途径,热力学,热力学系统的状态,热力学系统的变化规律,热力学第一定律,热力学第二定律,热力学过程必须能量守恒,实际热力学过程都具有方向性,平衡态,理想气体的状态方程,非平衡态,第一章,热学平衡态温度理想气体状态方程,1、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。,如气体质量、温度、压强、体积等。,广延量（可加性）,强度量（无可加性）,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。,如分子的质量、直径、速度、能量等。,宏观量是微观量的统计平均值！,2、平衡态,热学平衡态温度理想气体状态方程,【平衡态】在无外界影响的条件下，系统的宏观性质,不随时间改变的状态。,1、无外界影响：外界对系统不做功，也不传热。,2、平衡态,稳定态；,（热动平衡）,Q,、平衡态理想状态,（平衡总存在涨落）,、驰豫过程：系统向平衡态过渡的过程。,3、状态参量,【状态参量】可以相互独立变化，并足以确定系统,平衡态的一组宏观量。,几何参量,如：气体的体积等,力学参量,如：气体的压强等,化学参量,如：各化学组分的质量和摩尔质量等,电磁参量,如：电场和磁场强度等,热学参量,温度,热学平衡态温度理想气体状态方程,当系统处在平衡态时描述系统的各种宏观量取惟一确定值,绝热板,1、温度,各自达到平衡态,导热板,同时达到平衡态,达到热平衡的系统具有共同的内部属性,温度,若A、B与C均达到热平衡，则A与B必然处于热平衡。,热力学第零定律,热学平衡态温度理想气体状态方程,原理：一切互为热平衡的物体都具有相同的温度。,A和B热平衡，TA=TB,BA，A的温度改变很小，TA基本是原来体系A的温度；TB可通过B的某一状态参量标志。,应用：温度计,2、温标,温度的数值表示方法。,（1）经验温标,例：利用水银或酒精的体积热胀冷缩性质。,水银、酒精温度计。,不同测温质或不同测温属性测量同一温度数值可能不同,热学平衡态温度理想气体状态方程,1.选定测温物质的某一随温度变化的属性来标志温度2.指定这一属性随温度按线性关系变化3.选定固定点，即标准温度。,2、温标,温度的数值表示方法。,（1）经验温标,例：利用水银或酒精的体积热胀冷缩性质。,水银、酒精温度计。,不同测温质或不同测温属性测量同一温度数值可能不同,热学平衡态温度理想气体状态方程,1.选定测温物质的某一随温度变化的属性来标志温度2.指定这一属性随温度按线性关系变化3.选定固定点，即标准温度。,（2）理想气体温标,以理想气体为测温物质,在任何压强都严格遵守玻意耳定律的气体,热学平衡态温度理想气体状态方程,Boyle定律：一定质量的气体，在一定的温度下，其压强和体积的乘积为常量。即,PV=const.（只决定于温度）,理想气体温标T,确定标准温度值,一定量理想气体在任意压强(P)和体积(V)下的温度,为理想气体在,时的压强、体积.,（定容温度计）,（定压温度计）,热学平衡态温度理想气体状态方程,（2）理想气体温标,以理想气体为测量物质,真空,（与气体种类无关）,水银贮管,液体样品,软管,气体泡,理想气体温标,例：定容温度计,热学平衡态温度理想气体状态方程,（3）热力学温标,开尔文（威廉汤姆逊）,既然卡诺热机的效率与工作物质无关，那么我们就可以确定一种温标，使它不依赖于任何物质，这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性。,1854年，开尔文：,与理想气体温标一致,热学平衡态温度理想气体状态方程,对于一定质量（v摩尔）的理想气体,普适气体常数,M气体质量,摩尔质量,玻尔兹曼常数,热学平衡态温度理想气体状态方程,理想气体状态方程的其他几种形式,提示：由气体状态方程,例1、容器内有压强为3105Pa,温度270c，密度为0.241kg/m3的某种气体，试分析这是哪种气体。,热学平衡态温度理想气体状态方程,例2、对理想气体加热，测得由状态1到状态2，压强和绝对温度关系如图，问气体体积如何变化？,提示：由,1,p,T,又由图,热学平衡态温度理想气体状态方程,容器内尚存的气体质量,例3、容器内装有氧气0.1Kg，压强为10个大气压，温度470C,因容器漏气，经若干时间后，压强降为原来的5/8，温度降为270C，问:1.容器容积有多大？2.漏去多少氧气（可看作理想气体）？,提示：,漏去气体的质量,热学平衡态温度理想气体状态方程,热学理想气体压强温度的微观意义,1、宏观物体由大量分子、原子组成，,分子间存在间隙；,2、分子之间存在相互作用力；,分子有效直径,斥力,引力,短程力,3、分子在永不停息地作热运动，与温度有关。,特征1:,永恒的运动，,频繁的碰撞；,多,分子数多,快,分子运动快,乱,单个分子运动无序，,碰撞频繁（10亿次/秒）,（混乱性和无序性）,例：气体、液体、固体的扩散,热学理想气体压强温度的微观意义,特征2:,热学理想气体压强温度的微观意义,统计规律性,大量分子的集体行为,遵循确定的统计规律；,大量偶然事件的整体所遵循的规律。,例：伽尔顿板实验规律,热学理想气体压强温度的微观意义,一切与热现象有关的宏观量的值都是统计平均值。在任一给定瞬间观测值与统计平均值有偏差。,统计规律的特点,（1）只对大量偶然的事件才有意义.（2）它是不同于个体规律的整体规律(量变到质变).（3）总是伴随着涨落.,1、理想气体的分子模型,1）分子可以看作质点，服从牛顿运动定律；2）除碰撞外，分子之间的作用可忽略不计；3）分子间及与器壁间的碰撞是完全弹性的；,4）不计重力。,自由运动的弹性质点,热学理想气体压强温度的微观意义,2、理想气体在热力学平衡状态下的统计假设,1）分子按位置分布均匀:,各处分子数密度相同。,dV体积元（宏观小，微观大）,分子朝各方向运动机会均等。,2）分子速度按方向分布均匀:,结论1：,结论2：,热学理想气体压强温度的微观意义,2、推导思路：,热学理想气体压强温度的微观意义,气体对器壁的压强是大量分子对容器不断碰撞的平均效果。,一定质量的处于平衡态的某种理想气体。(V,N,m),1、研究对象：,一个速度为的分子对面ABCD的冲量,热学理想气体压强温度的微观意义,3、结果：,物理意义：,揭示气体压强的本质；,只是统计概念，只对大量分子才有意义。,【意义】温度是气体分子平均平动动能大小的量度。,是温度T的单值函数,热学理想气体压强温度的微观意义,推论：道尔顿分压定律：PP1P2,说明,（3）由温度公式，当T=0时，,而分子总在运动，,故T=0永远达不到!,热学理想气体压强温度的微观意义,（1）温度反映气体分子无规则热运动的强度，与系统的整体运动无关。,（2）温度是统计概念，是大量分子热运动的集体表现，只能用于大量分子。,方均根速率:,同种气体：,同温、不同气体：,表1-1在0C时气体的方均根速率,热学理想气体压强温度的微观意义,热学理想气体压强温度的微观意义,