物质运动形态具有多样性

第二篇热学物质运动形态具有多样性机械运动、热运动、电磁运动…热运动:物体中分子或原子的无规则运动.宏观表现为物质的热现象、热性质.热学:研究分子热运动规律、分析物质热现象、热性质规律的理论.热学的经典理论:宏观理论—热力学:实验基础+归纳、推理微观理论—分子动理论:力学模型+统计方法第六章气体动理论目的:根据理想气体的微观模型,运用统计方法,研究气体的宏观性质和规律.方法:建立宏观量和微观量之间的关系,

揭示气体热性质和规律的本质.§6-1状态过程理想气体研究对象:大量分子、原子所组成的系统.

——热力学系统.对应于“外界”.特征:大量.1mol物质分子数的量级为1023.不停顿的无规则热运动—布朗运动.问题:如何描述系统热运动状态变化的规律?一.状态和状态参量质点系统的机械运动状态可以用一组ri、vi描述.热学系统的状态若也可用ri、vi描述,则要解1023个牛顿方程.没必要,也不可能.——三个质点的系统:“混沌”现象.——大量微观粒子系统遵循统计规律.宏观描述:从整体上对系统的状态进行描述的方法.宏观量:用来表征系统状态和属性的物理量.例:温度、压强等.微观量:描述一个微观粒子运动状态的物理量.例:分子的直径、质量等.宏观量可以直接用仪器测量,一般能被人的感官所察觉.微观描述:从对微观粒子的运动状态分析入手,从而对系统的状态加以描述的方法.微观量一般不能被人的感官察觉,也不能直接测量.状态参量:用来描述状态的宏观参量.几何参量—体积力学参量—压力电磁参量—极化、磁化强度化学参量—质量、摩尔数最简单的热力学系统——理想气体压强p的单位：帕斯卡（帕，Pa）热力学温度T的单位：开尔文(K)1标准大气压(atm)=1.01×105(Pa)p、V、T状态参量:T=t+273.15(t

:摄氏温标)体积V:标准状态下,1mol理想气体所占据空间体积22.4×10-3m3.平衡态:在不受外界影响的条件下,一个系统的宏观性质不随时间改变的状态.二.平衡态和平衡过程理想气体的平衡态用p、V、T描述.平衡态从微观统计的角度看是动态平衡.处于平衡态的气体,p、T、n处处相等,

不随时间变化.平衡态可用宏观参量描述.状态方程:

描述平衡态的宏观参量间的函数关系.理想气体的平衡态在p～V

图上是一个点.平衡过程:系统状态变化所经历的一系列中间状态无限接近于平衡状态的过程.终了(平衡态)扩散(非平衡态)..............................开始隔板..............................抽去隔板...............................等温线容等线压等线pV0平衡过程在p～V图上用一条曲线表示.(等体升温)平衡过程的实现TdT+1大热源+T2dT1大热源T2大热源T1系统+TdT1系统T2...系统MMmolpV=RT三.理想气体的状态方程只适用于平衡态;非理想气体不遵守此方程.三个变量p、V、T,只有两个独立;理想气体:在

不太高、p不太大、T不太低范围内,满足:R.Boyle、J.L.Gay-Lussac、和J.A.C.Charles三实验定律的气体.理想气体状态方程的又一表示形式:玻耳兹曼常数:m组分、无化学反应的平衡态混合气体对器壁的正压力满足“力的叠加原理”:§6.2分子热运动和统计规律一.分子热运动的基本特征:混乱性和无序性;服从统计规律.宏观量是相应的微观量的统计平均值;“涨落现象”二.分布函数和统计平均值

随机事件A~偶然性,大量随机事件A~统计的分布规律.如:某次考试的成绩;打靶的命中率;灾害的发生;……总人数:某成绩段:(w

w+

w)人数占总人数的百分比:显然:平均成绩:wi:成绩间隔(区间)

以fi来表示分布时,只需改变纵轴刻度值.w“成绩”区间越小,“分布”越趋于连续函数.“狭小条形”面积:意义:成绩在w

w+w范围内的人数占总人数的百分比.w分布函数f(w):单位成绩区间内人数的百分比:成绩在w

w+w范围内的人数:w意义:成绩在w

w+w范围内的人数占总人数的百分比.“狭小条形”面积:平均成绩:平均位置:平均速率:积分对f(x)的整个分布范围§6-3气体动理论的压强公式一.理想气体的微观模型1.质点.分子线度与相互间隔相比较可忽略;2.遵守经典的运动规律——完全弹性碰撞;3.除碰撞瞬间,无相互作用.二.平衡态假设:分子向各方向运动的几率相同.气体系统处于平衡状态时,分子在各处出现的几率相同.

——分子数密度均匀n=常数三.压强公式的推导dAxyzo封闭容器V内,分子数N.分子热运动速率各不相同.按速率大小“分组”:第i组:Ni个分子的速率在区间内一个分子撞击dA面后:一个分子对dA面的冲量:dt

时间内撞击dA面的分子数:微模dNi

个分子对器壁dA碰撞的冲量:dt

时间内撞击dA面的分子数:所有分子对器壁dA碰撞的冲量:dA所受垂直作用力:平衡态+微模微模dA所受垂直作用力:A单位面积所受垂直作用力——压强讨论:1.宏观量压强p是个统计平均量.是大量分子对器壁碰撞的平均效应.分子的平均平动动能是微观量.2.压强p对个别分子无意义.请考虑压强与温度的关系.分子的平均平动动能:统计平均+平衡态

§6-4平均平动动能与温度的关系一.温度

讨论:1.温度是大量气体分子热运动的平均效果,是理想气体分子平均动能的单值函数.

对个别分子无意义.2.近代理论证明:存在“零点能”.二.方均根速率讨论:1.是反映平衡态下,气体分子速率分布特征

的一个平均值.2.处于同一平衡态的两种气体,T相同,w相同,但方均根速率不同.[例]求氮气分子的平均平动动能和方均根速率.设(1)t=1000℃,(2)t=0℃,(3)t=-150℃.v23=RTMmol解：(1)t=1000℃kT23w==2.63×10-20(J)=1.38×10-23×127323×=3×8.31×127328×10-3=1.06×103(m.s-1)(2)t=0℃kT23w==5.65×10-21(J)v23=RTMmol=493

(m.s-1)(3)t=-150℃kT23w==2.55×10-21(J