第9章 气体和凝聚态.ppt

1、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

2、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

3、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= 31.1C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=73.9105Pa Tc=304.19K c=468kg/m3,二范德瓦耳斯方程,1.理想模型刚球模型,rd 时，排斥力趋于无限大 rR 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

4、动的实际体积,标准状态下 Vm=2.2410-2m3/mol b 1.210-6m3/mol 当p=109Pa时 Vm=2.2410-6m3/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)

5、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 AB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

6、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，由于某