大学物理电子教案

第6章气体分子运动论

扫描隧道显微镜（STM）第6章气体分子运动论扫描隧道显微镜（STM）一.热学的研究对象热现象热学物体与温度有关的物理性质及状态的变化研究热现象的理论热力学从能量转换的观点研究物质的热学性质和其宏观规律宏观量二.热学的研究方法微观量描述宏观物体特性的物理量；如温度、压强、体积、热容量、密度、熵等。描述微观粒子特征的物理量；如质量、速度、能量、动量等。一.热学的研究对象热现象热学物体与温度有关的物理性质微观粒子观察和实验出发点热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质二者关系无法自我验证不深刻缺点揭露本质普遍，可靠优点统计平均方法力学规律总结归纳逻辑推理方法微观量宏观量物理量热现象热现象研究对象微观理论（统计物理学）宏观理论（热力学）微观粒子观察和实验出发点热力学验证统计物理学，统计物理学§6-1

平衡态理想气体的状态方程一.系统和外界热力学系统由大量粒子组成的宏观物体或物体系。外界系统以外的物体系统与外界可以有相互作用例如：热传递、质量交换等系统••••系统的分类开放系统系统与外界之间，既有物质交换，又有能量交换。封闭系统孤立系统系统与外界之间，没有物质交换，只有能量交换。系统与外界之间，既无物质交换，又无能量交换。§6-1平衡态理想气体的状态方程一.系统和外界二.气体的状态参量温度(T)体积(V)压强(p)气体分子可能到达的整个空间的体积大量分子与器壁及分子之间不断碰撞而产生的宏观效果大量分子热运动的剧烈程度温标：温度的数值表示方法国际上规定水的三相点温度为273.16K在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质在长时间内不发生变化的状态。三.平衡态二.气体的状态参量温度(T)体积(V)压强(p)气体分子可能说明(1)不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传热的方式交换能量，但可以处于均匀的外力场中；如：两头处于冰水、沸水中的金属棒是一种稳定态，而不是平衡态；处于重力场中气体系统的粒子数密度随高度变化，但它是平衡态。低温T2高温T1(2)平衡是热动平衡(3)平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值(p,V,T)表示(4)平衡态是一种理想状态说明(1)不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传热的方式四.理想气体的状态方程气体的状态方程(3)混合理想气体的状态方程为其中理想气体的状态方程(1)理想气体的宏观定义：在任何条件下都严格遵守克拉珀龙方程的气体；(2)实际气体在压强不太高，温度不太低的条件下，可当作理想气体处理。且温度越高、压强越低，精确度越高.说明（克拉珀龙方程）四.理想气体的状态方程气体的状态方程(3)混合理想气体的状一柴油的汽缸容积为0.827×10-3m3

。压缩前汽缸的空气温度为320K，压强为8.4×104Pa

，当活塞急速推进时可将空气压缩到原体积的1/17

，使压强增大到4.2×106Pa。解T2>柴油的燃点若在这时将柴油喷入汽缸，柴油将立即燃烧，发生爆炸，推动活塞作功，这就是柴油机点火的原理。例求这时空气的温度一柴油的汽缸容积为0.827×10-3m3。压缩前汽缸§6-2理想气体的压强公式一.理想气体的微观模型(1)不考虑分子的内部结构并忽略其大小(2)分子力的作用距离很短，可以认为气体分子之间除了碰撞的一瞬间外，其相互作用力可忽略不计。(3)碰撞为完全弹性理想气体分子好像是一个个没有大小并且除碰撞瞬间外没有相互作用的弹性球。二.平衡态气体分子的统计性假设1.每个分子的运动速度各不相同，且通过碰撞不断发生变化§6-2理想气体的压强公式一.理想气体的微观模型(1)2.分子按位置的均匀分布（重力不计）

在忽略重力情况下，分子在各处出现的概率相同,容器内各处的分子数密度相同3.分子速度按方向的分布均匀由于碰撞,分子向各方向运动的概率相同，所以三.理想气体的压强公式气体的压强是由大量分子在和器壁碰撞中不断给器壁以力的作用所引起的。例:雨点对伞的持续作用1.从气体分子运动看气体压强的形成2.分子按位置的均匀分布（重力不计）在忽略重力情况下，分2.理想气体的压强公式设体积为V的容器,内贮分子总数为N，分子质量为μ，分子数密度n

的平衡态理想气体速度为的分子数为,分子数密度为在dt时间内，速度为vi

的分子与面元dA碰撞的分子数为

zy··yzxO2.理想气体的压强公式设体积为V的容器,速度为在dt

时间内，与面元dA碰撞的所有分子所受的冲量dI为由压强定义得··(1)压强

p

是一个统计平均量。它反映的是宏观量

p和微观量的关系。对大量分子，压强才有意义。说明(2)压强公式无法用实验直接验证在dt时间内，与面元dA碰撞的所有分子所受的冲量dI为一容积为V=1.0m3的容器内装有N1=1.0×1024

个氧分子N2=3.0×1024

个氮分子的混合气体，混合气体的压强

p=2.58×104Pa。

(1)由压强公式,有例求(1)分子的平均平动动能；(2)混合气体的温度解(2)由理想气体的状态方程得一容积为V=1.0m3的容器内装有N1=1.0×10§6-3

气体分子的平均平动动能与温度的关系一.理想气体的温度理想气体分子的平均平动动能为每个分子平均平动动能只与温度有关，与气体的种类无关。说明(1)温度是大量分子热运动平均平动动能的度量.它反映了宏观量T与微观量ε的统计平均值之间的关系。(2)温度是统计概念，是大量分子热运动的集体表现。对于单个或少数分子来说，温度的概念就失去了意义。§6-3气体分子的平均平动动能与温度的关系一.理想气体二.理想气体定律的推证1.阿伏加德罗定律在相同的温度和压强下，各种气体的分子数密度相等。2.道尔顿分压定律设几种气体贮于一密闭容器中，并处于平衡态，且分子数密度分别为n1、n2

、n3…

，则混合气体的分子数密度为二.理想气体定律的推证1.阿伏加德罗定律在相同的温度和压温度相同混合气体的压强为混合气体的压强等于各种气体的分压强之和。温度相同混合气体的压强为混合气体的压强等于各种气体的分压强之有一容积为10cm3

的电子管，当温度为300K