高中物理竞赛科普版物理学史热力学篇2分子运动论共16张PPT

2020高中物理竞赛（科普版）有趣的物理学史第五节 分子运动论的建立 分子运动论是热学的一种微观理论。它的根据是以下两个基本概念：物质是由大量分子、原子组成的；热现象是这些分子作无规则运动的一种表现。十八世纪后半期，由于彻底否定了“热质说”，分子运动论迅速发展起来。几乎在半个世纪内，经典分子运动论就完整地建成了。第五节 分子运动论的建立 分子运动论的建立是许多科学家辛苦研究的结果，如赫拉派斯（公元17901868）；瓦特斯顿（公元18111883）；焦耳和克伦尼希（公元18221879）都在气体运动论方面做了不少工作。后来又有麦克斯韦、开尔文、玻耳兹曼（公元18441906）、迈尔、金斯（公元1877一1946），洛仑兹（公元18531928）等人进行了一系列的工作，为分子运动论的建立做出重要贡献。一、赫拉派斯、克伦尼希、克劳修斯等人 1.关于理想气体压强公式的推导 1820年赫拉派斯在递交给皇家学会的论文中，得到压强公式。实际这个公式，约在100年以前伯努利就已经得到，不过赫拉派斯更进一步的是，他明确提出绝对温度取决于分子速度的思想，但他使用的分子模型是硬球碰撞模型。一、赫拉派斯、克伦尼希、克劳修斯等人 1843年瓦特斯顿匿名出版了自己的著作Thought on the Mental Function。他首先提出全体分子的弹性球模型。还考虑了平均自由程的问题。克伦尼希对气体分子运动论科学的发展是有功劳的，由于他是当时著名科学家，作为大学教授和物理学杂志的主编，在当时有很大影响，所以他的工作很快为大家接受，对分子运动论的推广起了重要作用。一、赫拉派斯、克伦尼希、克劳修斯等人 克劳修斯的主要功绩是第一个精确表述热力学第一、二定律的人，在分子运动论方面他也作了一些有价值的工作。如首先提出“统计”这一物理学的新概念。他用“几率”的概念走出了前辈们都已推导出来的有名的压强公式。克劳修斯还揭示了理想气体分子运动论的模型：（l）实际上气体分子所占空间，比被气体占据的总空间，应是微不足道的。（2）一次碰撞时间，与两次碰撞之间所经时间相比，应是微不足道的。（3）分子力的作用应是微不足道的。2.引入平均自由程的概念 克劳修斯的另一个重要贡献，是引进了气体分子的平均自由程概念。他根据公式计算出，在 0 C时，氧分子的均方根速率为461米秒，氮为402米秒，氢为1844米秒。1858年有人指出：如果气体分子真有如此大的速度的话，那么气体的扩散为什么很慢呢？迅速运动的分子球由于同其他分子频频碰撞，所以不断改变自己的运动方向，使其运动的路径是一复杂的折线，由于这个原因，分子在某一定方向上的运动速度就不可能很大了。二、麦克斯韦的工作 早期的理论工作者，在处理问题时，常常假定一切分子都以同样的速率运动。英国物理学家麦克斯韦（公元18311879）则突出了分子运动的无规则性，第一个运用统计的方法来计算分子的速率。1859年，麦克斯韦在题为气体分子运动论的例证的论文中阐述了他的气体模型：由数量不定的、很小的、完全弹性的、只接触时才发生相互作用的固体小球组成的系统。他第一次借助于几率的概念推导出分子速率分布律：二、麦克斯韦的工作 运用他所得出的速率分布率，对气体分子平均自由程进行了再次的计算，修正了克劳修斯的推导结果，得到了现在被人们所公认的结果。麦克斯韦对输运过程、扩散、内摩擦和热传导现象进行了研究，以分子运动论的观点出发，建立了一套初级的数学理论。应用平均自由程的概念，推导出内摩擦系数。三、玻耳兹曼的工作 奥地利杰出的物理学家玻耳兹曼（公元18441906），是统计物理学的奠基人之一，是维护原子论反对唯能论的积极斗士。发展了麦克斯韦的分子运动学说，证明了在有势的力场中处于热平衡态的分子速度分布定律，即现在所说的麦克斯韦一玻耳兹曼分布定律。他和麦克斯韦一样都企图通过分子的碰撞力学规律来解释气体的平衡态。三、玻耳兹曼的工作 著名的H定理。H定理表达的不可逆性使科学家们难以接受，而出现所谓的“可逆性佯谬”。洛喜密脱就认为由可逆的力学规律推导出热平衡状态的不可逆性是不可思议的。玻耳兹曼1877年对这个佯谬的回答是，实际世界的不可逆不是由运动方程造成的，也不是由分子间相互作用力的定律的形式引起的，原因看来在于初始条件。玻耳兹曼的工作是标志着气体分子运动论的成熟和完善的一座里程碑。四、范德瓦尔斯方程的建立 1873年，荷兰物理学家范德瓦尔斯（公元18371923）在他的博士论文论液态与气态的连续性中，提出了他的著名的实际气体方程。范德瓦尔斯就得到了非理想气体的状态方程。从理论的角度看，这个方程的推导过程并不是无懈可击的。后来有不少人对这一方程进行了修正，得到了一些半经验公式。但这个方程的物理思想十分明确，因此范德瓦尔斯的工作很快得到了科学界的重视，他也因此获得了1910年度诺贝尔物理学奖金。第六节 统计力学的建立 美国著名的理论物理学家吉布斯（1839一1903）继承了麦克斯韦和玻尔兹曼他们的思想，在系综概念的基础上建立起宏伟的统计力学大厦。吉布斯利用系综概念对由大量微观粒子构成的宏观物体的热性质进行统计研究，开创了统计力学。他之所以喜欢利用系综的概念是因为他认为“要回避最严重的困难。”（即避开编造关于物体结构的假说），来从事统计研究。二、布朗运动 1827年，英国植物学家布朗（17731858）用显微镜观察到水中花粉或其他微小粒子在不停地作无规则运动，这种运动后来被称作布朗运动。最初布朗认为是一种生物运动，但是布朗用无机物作试验，同样观察到了这种现象。1905年，爱因斯坦得出一个关于布朗运动的重要公式。1908年，法国物理学家佩兰（公元18701942）用实验测定了布朗粒子的平均质量和平均半径，得出了与爱因斯坦一致的结果。三、量子统计的建立 1920年，印度物理学家玻色发现了光子所服从的统计法则。19241925年，奥地利的泡利提出了不相容原理。1926年，意大利的费米和英国的狄拉克各自独立地发现了自旋为半整数的微观粒子所服从的统计法则，即费米一狄拉克统计法。它的特点是：不能有一个以上的粒子占有同一量子态。狄拉克还发现：服从玻色统计法的粒子的波函数是对称的，服从费米统计法的粒子的波函数是反对称的。从此量子统计物理学迅速地建立起来。谢谢观看！