--分子物理学课件

大家好大家好第六章第六章 分子物理学分子物理学CHAPTER 6 MOLECULAR PHYSICS分分子子物物理理学学是是研研究究物物质质热热运运动动形形态态及及热热运运动动和和其其它运动形态之间转化规律的理论。它运动形态之间转化规律的理论。微观量（微观量（microscopic quantities）：宏观量（宏观量（macroscopic quantities）：表征单个分子或原子的物理量叫做微观量表征单个分子或原子的物理量叫做微观量如速度、能量、质量大小等。如速度、能量、质量大小等。表征大量分子或原子集体特性的物理称为宏观量表征大量分子或原子集体特性的物理称为宏观量如压强、温度等。如压强、温度等。研究方法：研究方法：本本章章以以物物质质分分子子结结构构和和分分子子热热运运动动理理论论为为基基础础，总总结结出出微微观观粒粒子子与与宏宏观观的的热热运运动动之之间间的的内内在在联联系系，从从而而研研究究热热运运动动的的规规律律。分分子子物物理理学学和和研研究究方方法法，对对于于深深入入研研究究药药物分析和药物合成具有重要意义。物分析和药物合成具有重要意义。对对大大量量分分子子进进行行统统计计平平均均，说说明明热热运运动动的的本质。本质。第一节第一节 理想气体动理论基本方程理想气体动理论基本方程 Main Equations of Kinetic Theory on the Ideal Gas）2.平衡态（平衡态（equilibrium state）理想气体物态方程理想气体物态方程（state equation of the Ideal gas）1.态变量态变量(state variable)描述物体态的变量叫做态变量。描述物体态的变量叫做态变量。如压强、体积、温度，浓度等如压强、体积、温度，浓度等 不不受受外外界界条条件件影影响响的的系系统统，宏宏观观性性质质不不随随时时间间变变化化的状态称为平衡态。的状态称为平衡态。3.态参量（态参量（State parameter）4.理想气体（理想气体（ideal gas）处于平衡态的气体的特点是态参量处于平衡态的气体的特点是态参量V、P、T不随时间变化。不随时间变化。平平衡衡态态下下的的一一定定量量的的气气体体，用用它它的的体体积积（V）、压压强强（P）和和温温度度（T）来来描描述述其其宏宏观观状状态态，这这些些物物理理参参数数就是气体的就是气体的态参量。态参量。气体的态发生变化时，态参量也随着发生变化，根气体的态发生变化时，态参量也随着发生变化，根据实验总结出三条变化规律，即据实验总结出三条变化规律，即玻意耳定律（玻意耳定律（Boyle law）：）：查理定律（查理定律（Charles law）：）：盖盖-吕萨克定律（吕萨克定律（Gay-lussac law）：）：在任何情况下都遵守上述三条定律的气体叫做理想气体。在任何情况下都遵守上述三条定律的气体叫做理想气体。PV=常量常量P/T=常量常量V/T=常量常量5.理想气体物态方程理想气体物态方程（state equation of the Ideal gas）质量为质量为M、摩尔质量为、摩尔质量为 的理想气体的态参量间的关系为的理想气体的态参量间的关系为R为气体常数（为气体常数（Gas Constant）R=8.3145 Jmol-1 K-1理想气体物态方程还可以写成理想气体物态方程还可以写成式中式中 /为单位体积中的摩尔数为单位体积中的摩尔数 =M/V为气体密度为气体密度第二节第二节理想气体压强理想气体压强(Pressure formula of Ideal gas)1.宏观物体是由大量分子或原子所组成宏观物体是由大量分子或原子所组成2.物体内的分子都在永不停息地运动着热运动物体内的分子都在永不停息地运动着热运动大大量量分分子子的的无无规规则则的的紊紊乱乱运运动动叫叫做做热热运运动动，温温度度是是热热运运动的一项基本标志。动的一项基本标志。3.分子力（分子力（molecular force）：）：分子力分子力引力引力 斥力斥力分子之间的相互作用力称为分子力。分子之间的相互作用力称为分子力。一一、理想气体的微观模型（理想气体的微观模型（microscope model of Ideal gas）（1）气体分子本身的大小与分子之间的平均距离比起来可）气体分子本身的大小与分子之间的平均距离比起来可以忽略不计；同种气体可以看作分子大小和质量完全相同以忽略不计；同种气体可以看作分子大小和质量完全相同的质点，分子运动遵循牛顿运动定律；的质点，分子运动遵循牛顿运动定律；（2）除除分分子子之之间间相相互互碰碰撞撞和和分分子子与与器器壁壁的的碰碰撞撞的的瞬瞬间间外外，分分子子之之间间以以及及分分子子与与容容器器壁壁之之间间的的作作用用力力可可以以忽忽略略不不计计，分分子的重力也可以忽略不计子的重力也可以忽略不计（3）气气体体分分子子之之间间的的碰碰撞撞和和气气体体分分子子与与容容器器壁壁的的碰碰撞撞都是完全弹性的，碰撞前后分子动量不变。都是完全弹性的，碰撞前后分子动量不变。微观模型微观模型二、分子现象的统计规律性（二、分子现象的统计规律性（statistical regularity of molecule)必然事件：必然事件：随机事件：随机事件：事件出现的事件出现的概率概率就是事件出现的可能性的量度就是事件出现的可能性的量度。随机变量：随机变量：在一定的条件下必然发生或必然不发生的事件或在一定的条件下必然发生或必然不发生的事件或现象叫做必然事件。现象叫做必然事件。在一定条件下可能发生也可能不发生的事件或现象在一定条件下可能发生也可能不发生的事件或现象叫做随机事件。叫做随机事件。具有偶然性的变量叫做具有偶然性的变量叫做随机变量随机变量。统计假设（统计假设（statistical hypothesis）式中式中N为气体分子的总数为气体分子的总数 在在平平衡衡态态下下，气气体体每每部部分分的的密密度度相相等等，分分子子沿沿任任一一方方向向运运动的机会相等，任一时刻沿任一方向运动的分子数目相等。动的机会相等，任一时刻沿任一方向运动的分子数目相等。三三.理想气体压强公式理想气体压强公式(Pressure formula of Ideal gas)容器的体积为容器的体积为V内内含含有有N个个分分子子（N是是一一个个很很大大的数量）的数量）每个分子的质量为每个分子的质量为 m器壁各处的压强相等。器壁各处的压强相等。在平衡态下，容器内的分子在平衡态下，容器内的分子分布是均匀的。分布是均匀的。单位体积中的分子数叫做分子数密度，用单位体积中的分子数叫做分子数密度，用n 表示表示速度速度 vivi+dvi分子数密度为分子数密度为 nin=ni分子的速度分别为分子的速度分别为v1、v2、，vN vi在容器壁上任取一面积元在容器壁上任取一面积元dAdAx面积元面积元dA 与与x 轴垂直。轴垂直。vivizviyvixvivixviyviz碰撞前碰撞前 vi(vix，viy，viz)碰撞后碰撞后vi(-vix，viy，viz）分子与分子与dA 面元碰撞一次，面元碰撞一次，-mvix mvix=-2mvix根据动量定理，这个分子与根据动量定理，这个分子与dA碰撞一碰撞一次，容器壁给予分子一个冲量次，容器壁给予分子一个冲量分子动量变化为分子动量变化为 这个冲量等于动量的增量这个冲量等于动量的增量 -2mvix根据根据 牛顿第三定律，分子牛顿第三定律，分子 i 与容器壁面元与容器壁面元dA 碰碰撞一次，给予容器壁的冲量为撞一次，给予容器壁的冲量为 方向指向方向指向x 轴的正方向轴的正方向2mvixdAvivividAx在在dt 时时间间内内，位位于于以以dA 为为底底，vidt为为斜斜棱棱的的斜斜柱柱体体内内的的所所有有的的分分子都能与子都能与dA面元相碰撞。面元相碰撞。vidt斜柱体的体积为斜柱体的体积为dAvixdtvixdt速度为速度为vi的分子的分子数密度为的分子的分子数密度为ni对对dA面元的冲量为面元的冲量为在在dt 时间内各种速度的分子对时间内各种速度的分子对dA面的冲量面的冲量dI为为dA面受到的力面受到的力F 为为 气体对气体对dA面的压强面的压强P为为根据分子速度按方向分布的均匀性，根据分子速度按方向分布的均匀性，vix 0和和vixn，C、D 是大于是大于0的比的比例系数。例系数。9m15,4n7引力和斥力相等时，引力和斥力相等时，平衡状态，平衡状态，r0 叫做分子的平衡距离叫做分子的平衡距离 r0=10-10m。r引力，斥力作用范围引力，斥力作用范围 rr0时，斥力时，斥力P0 平面平面 P=P0 0凹面凹面 P 0Ps=0 Ps01.球形液面的附加压强（球形液面的附加压强（additional pressure of a spherical surface of liquid）半径为半径为R 的球形液滴的球形液滴，由于附加压强存在，液滴表，由于附加压强存在，液滴表面受到一个指向球心的力面受到一个指向球心的力f的作用。的作用。f=PSS要使液滴的半径从要使液滴的半径从R 增大到增大到R+dR，必须反抗力，必须反抗力 f 作功作功对球面对球面S 作的功作的功dA=PSSdR=PS4 R2dR根据功能原理，外力作的功等于液体表面势能的增量根据功能原理，外力作的功等于液体表面势能的增量dA =dEP=dS S=4 R2dS=8 RdR PS 4 R 2dR=8 RdR 球形凹液面的附加压强球形凹液面的附加压强P PS S为负为负附加压强指向弯曲液面的曲率中心。附加压强指向弯曲液面的曲率中心。2.球形液膜的附加压强球形液膜的附加压强（additional pressure of a spherical liquid film）液膜具有内外两个表面，内、外表面的半径分别为液膜具有内外两个表面，内、外表面的半径分别为R1和和R2液膜外表面是凸面，内表面是凹面液膜外表面是凸面，内表面是凹面 液膜很薄，液膜很薄，R1R2R 球形液膜内外的压强差为球形液膜内外的压强差为 上式是上式是球形液膜的附加压强球形液膜的附加压强 凹液面：凹液面：P内内P外外 ，P PP外外，P 0P 0P外P内P外P内上图是在一个连通管的两端各吹一个半径不等的肥上图是在一个连通管的两端各吹一个半径不等的肥皂泡，打开中间活塞，使两个泡相通，会看到小泡皂泡，打开中间活塞，使两个泡相通，会看到小泡不断变小，而大泡不断变大，不断变小，而大泡不断变大，最后达到平衡。最后达到平衡。900 不润湿三、毛细现象和气体栓塞三、毛细现象和气体栓塞 1、毛细现象、毛细现象 内聚力：内聚力：液体分子之间的吸引力。液体分子之间的吸引力。附着力：液体分子与固体分子之间的吸引力。附着力：液体分子与固体分子之间的吸引力。润润 湿：附着力大于内聚力，液体与固体的界面有湿：附着力大于内聚力，液体与固体的界面有 扩大的趋势，固体被润湿。扩大的趋势，固体被润湿。毛毛 细细 管：内经很小的细管。管：内经很小的细管。毛细现象：将毛细管的一端插入液体中，管内的液面毛细现象：将毛细管的一端插入液体中，管内的液面 会出现上升或下降，这种现象称为毛细现象。会出现上升或下降，这种现象称为毛细现象。润湿不润湿对于润湿管壁的液体对于润湿管壁的液体凹液面(植物水分的输送、动物毛细血管植物水分的输送、动物毛细血管)CBAP0P0RrP0TAh2 2、气体的栓塞、气体的栓塞P左左P左左P右右P右右P左左P左左P右右P右右P左左=P右右P左左 P右右PPPP 液体在细管中流动时，如果液体中有较多气泡，液液体在细管中流动时，如果液体中有较多气泡，液体的流动则可能发生阻塞，这种现象称为气体的栓塞体的流动则可能发生阻塞，这种现象称为气体的栓塞 。1.把长为把长为2cm的钢针轻放在表面张力为的钢针轻放在表面张力为=10-2 Nm-1的的液体表面上，并使钢针浮在液面上，钢针的重量为：液体表面上，并使钢针浮在液面上，钢针的重量为：A.2.0 10-2 N；B.4.0 10-2 N;C.2.0 10-4 N;D.4.0 10-4 N.答案：答案：D2.把长为把长为25cm的毛细管插在水中，管中水面可升高的毛细管插在水中，管中水面可升高20cm。现将毛细管向下弯曲，使管口离水面的距离为现将毛细管向下弯曲，使管口离水面的距离为10cm，则，则 20 cm 10cmA.水一定能从管口流出；水一定能从管口流出；B.水能到达管口而不流出，水能到达管口而不流出，管口液面为凹面；管口液面为凹面；C.水能到达管口而不流出，水能到达管口而不流出，管口液面为凸面；管口液面为凸面；D.不能确定管中水面的位置。不能确定管中水面的位置。答案：答案：B3.把长为把长为25cm的毛细管插在水中，管中水面可升高的毛细管插在水中，管中水面可升高20cm。现将毛细管向下移动，使管口离水面的距离为现将毛细管向下移动，使管口离水面的距离为15cm，则，则 20 cm 15 cmA.水一定能从管口流出；水一定能从管口流出；B.水能到达管口而不流出，水能到达管口而不流出，管口液面为凹面；管口液面为凹面；C.水能到达管口而不流出，水能到达管口而不流出，管口液面为凸面；管口液面为凸面；D.不能确定管中水面的位置。不能确定管中水面的位置。答案：B