气体分子运动学简要

1、气体分子运动学简要第1页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四三、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，如质量、体积、压强、温度等 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，如分子的速度，能量等 广延量 强度量宏观量是微观量的统计平均值第2页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四 1 .理解平衡态,准静态过程等概念. 掌握理想气体状态方程及其应用; 2 .理解理想气体的压强及温度的微观本质.本次课的教学主要要求: 3. 理解能量按自由度均分的原理. 掌握和理解内能的概念.重点难点理想气体的压强及温度的微观本质,内能第3页，

2、共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四一 平衡态和准静态过程热力学系统：孤立系统封闭系统开放系统平衡状态:热力学系统达到的稳定不再有任何宏观性质变化的状态 .-热动平衡注意： 平衡态与稳定态、 非平衡态的区别热力学过程：热力学系统状态变化的历程描述：宏观状态参量气体的状态参量: 压强 p, 体积V, 温度T.第4页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四pVO平衡态用一组 ( p、V、T )表示p2211 abc do(l )(atm)V准静态过程:准静态过程可用PV图上的一条曲线表示，称之为过程曲线。如果在过程的任意时刻,系统都无限接近于一个平衡态. 它是由一系列

3、依次接替的平衡态所构成的过程.例如：准静态过程PV图上过程曲线第5页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四例: 准静态等温膨胀做功过程的模型 -体积从V1膨胀到V2 PePP弛豫时间: 10-3 sPVO第6页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四准静态传热过程的模型-温度从T1升高到T2 ：T1 T1 T1+dT T1 +dT T1 +2dT T1 +2dT T2-dT T2 -dT T2 T2 第7页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四 (1) aF=32+1.8bC热力学第零定律多个热力学系统处于同一热平衡状态时所具有的共同(冷热度)宏观

4、性质.(2)t C =T(K) 273.15 理想气体温标: (K)不同单位温标间的换算:温度定量描述法:摄氏温度温标:标准温度定点:水的三相点温度273.16(K)t (C)华氏温标: (F)与物质无关经验温标与物质有关热力学温标T (K)与物质无关二 宏观状态参量-温度第8页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四一些实际的温度值热力学零度(绝对零度)是不能达到的! 热力学第三定律第9页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四三.理想气体的状态方程气体的状态参量: 状态参量 标准单位 常用单位 主要换算关系体积(代号V) 升( ) 压强(代号p) Pa atm

5、1atm=101325Pa 温度(代号T) K (代号 T) C (代号t) t =T 273.15一定质量的理想气体宏观状态间的变化和过程*标准状态参数: 1摩尔气体实验规律第10页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四普适气体常量玻耳兹曼常量理想气体的状态方程另一形式：注意：每个物理量的意义！理想气体的状态方程：第11页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四理想气体热力学系统典型准静态等值过程曲线OpV V2V1p等体过程等压过程等温过程图示法: V T .abcTVVcVa第12页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四例: 某种柴油机汽缸容

6、量为0.82710-3m3.设压缩前其中气体(空气可视为理想气体)的温度是47C,压强为8.5 104Pa,当活塞急剧上升时. 可把空气压缩到原体积的1/17,压强增加到4.2 106Pa. 求此时空气的温度? 这时将柴油喷入汽缸将发生怎样的情况分析这一温度超过了柴油的燃点,所以喷入柴油会立即燃烧.柴油的燃点220 汽油的燃点427解:将空气看作理想气体且质量不变第13页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四例: 容器内装有0.1kg氧气.压强为10105Pa,温度为47C.问: 容器的容积有多大? 解:(1)根据理想气体状态方程(2)漏气后容器体积不变 设容器内的压强、温度分

7、别为p、T, 质量为m, 可见漏去气体质量m=m m =0.1 0.0667 = 0.0333 kg由于容器漏气,经一段时间后压强降到原来的5/8,温度降到27C. 问:漏了多少氧气?(设氧气可看作理想气体)第14页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四例: 一容器内贮有气体,温度是27C, (1)压强为1.013 105Pa时,在1m3中有多少个分子; (2)在高真空时压强为1.33 10 5Pa,在1m3中有多 少个分子?解:(1)(2)第15页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四四. 理想气体的微观模型对于由大量的分子组成的热力学系统只在质心参考系中,用

8、统计方法,讨论热现象和热学规律实际基本特征: 混乱性和无序性* 分子间有空隙。* 分子之间存在相互作用力。* 分子在频繁的相互碰撞，永不停息地作热运动。第16页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四(1)分子的体积可以忽略.(2)分子服从经典运动规律.(3)除碰撞瞬间外, 分子间的作用力可忽略.(4 )分子之间,分子与器壁之间的碰撞是完全弹性的.对于理想气体，关于每个分子的力学性质的假设第17页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四五 大量分子统计性假设(1)每个分子由于频繁碰撞速度不断在改变;(2)平衡态时,分子按位置的分布均匀;(3)平衡态时,分子速度按方向

9、分布均匀,各方向运动机会均等理想气体的热力学平衡状态下,分子的平方速率平均值大量分子统计值!第18页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四结论: （1）压强是大量气体分子热运动统计平均 的结果, 对个别分子谈压强毫无意义!（2）压强公式是一个统计规律，不是力学规律；宏观上都是压强增大，但微观意义不同。 理想气体压强公式六 压强公式第19页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四七 温度的本质和统计意义根据:理想气体状态方程理想气体压强公式第20页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四说明:1.温度是描写热力学系统平衡态的物理量.2.温度是一个统计概

10、念.描述大量分子的集体状态.4.温度与物体的整体运动无关.3. 温度与分子热运动(平均平动能,平均转动,振动动能等) 有关. 贮有氮气的容器以速度v=100m/s 运动,当容器突然停止,容器中的温度会升高吗?思考:第21页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四根据理想气体的压强公式分子的方均根速率 vrms 在0C时气体的方均根速率气体种类 方均根速率(m.s-1 ) 摩尔质量(10-3kg.mol-1 ) O2 4.61102 32 .0 N2 4.93102 28.0 H2 1.84103 2.02 CO2 3.93102 44.0 H2 O 6.15102 18.0八 气

11、体分子的方均根速率第22页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四（记住数量级！）例如:T = 273K时，第23页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四解: 例: 求氮气分子的平均平动动能和方均根速率. 设(1) 在温度t =1000C时, (2)在温度t =0C时; 第24页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四 九. 能 量 均 分 定 理 自由度i:确定一物体在空间位置所需之独立坐标数.HeO2H2OCO2NH3CH3OHi = 3 5 6 6 6 6 理想刚性分子自由度数目 i第25页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四 能量均分定理在温度为T 的平衡态下,气体分子每个自由度的平均 动能都相等且等于每个气体分子的平均总动能:( i= 6三个原子以上. ) 单 原 子 分 子i= 3刚性双原子分子i= 5刚性三个原子分子i= 6第26页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四内能 = 动能（平动、转动和振动）+ 势能(分子内及分子间相互作用)理想气体的内能E=分子的平动动能+分子的转动动能理想气体的内能1 mol: 质量为M:一个分子：( 摩尔数)第27页，共30页，2022年，5月20日，7点39分，星期四理想气体的内能完全决定于气体的质量, i