大学物理课件 气体分子运动论1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大学物理,张国华,公共邮箱：,密码：,xinxi2010,说 明,1.,最终成绩,评定办法：,期中考试成绩占,10%,；,平时作业成绩占,10%,堂出勤情况占,5%,；,期末卷面成绩占,75%,。,2.,教材和参考书,：,张三慧 编著,大学物理学,(,第三版,B,版,),热学,（第,17-19,章）,振动、波动,（第,20,21,章）,量子物理,本学期主讲内容,:,（第,26,29,章）,狭义相对论,（第,6,章）,吕金钟主编,大学物理辅导,（第二版）,光学,（第,22,24,章）,大学物理习题集,（助教网专用）,4.,答疑：,地点：,理化楼,135,第,2,周 第,16,周,3.,作业,：,每周二交，统一用作业纸,助教网：,。,5.,公共邮箱：,密码：,xinxi2010,6.,竞赛,：,校内竞赛,在,下学期进行,。,考试内容,为,上册书的所有内容,。,题型,与,期末试卷,类似。,时间：,周,二,、,五,中午,11:3013:00,关于注册助教网完成作业的说明,1,、登陆助教网：,http:/,，用自己的用户和密码进入,2,、点“申请成为学生”,3,、输入班级，,“,张国华,12,春,-1,”(,测控,11011102,、智能,11,、自,1105),或 “,张国华,12,春,-2,”(,电信,11,、计,11011102,、物联,11,),4,、,为防止错误，可以,查看班级具体情况，确定没有错,5,、按照提示，一步步进行，直至完成,6,、在一周内完成，,否则影响网上提交作业。,7,、每周的“,大学物理习题集”的作业,必须在每周周一晚,11,点前在网上成功提交，否则就缺交一次作业,如果忘了如何使用，可到助教网下载,助教网学生使用手册,热 学,（,17-19,章）,一、热学的研究对象,：,高温退磁。,热胀冷缩、,相变、,1,、热学,1),热力学系统：,大量分子或原子组成的系统,2),外界：,热力学系统以外的物体,研究物体的,热现象,及,其,规律的科学,2,、热学的研究对象,宏观法与微观法相辅相成。,二、热学的研究方法：,1.,宏观法,.,热力学,2.,微观法,.,统计力学,气体分子运动论（初级理论）,温度和气体动理论,第,17,章,17-1,热运动的,描述,理想气体,模型,和,状态方程,一、热力学系统状态的描述,1,、宏观量,如：质量、速度 等,描述微观粒子的物理量,2,、微观量,整体上描述,可直接测量,微观量,宏观量,如：温度、体积、压强 等,状态参量,1,、,温度的定义,A,B,绝热板,A,B,导热板,A,、,B,两体系,各自达到,平衡态,两体系达到共同的,热平衡,状态,热平衡,热平衡时，两体系有共同的,宏观性质,温度,二、温度的概念,例如,A,B,C,设,A,和,B,、,B,和,C,分别热平衡，,则,A,和,C,一定热平衡。,A,热平衡时，,T,A,=T,B,；,B A,，,A,改变很小,B,酒精或水银,热力学第零定律,2,、,温度的测量,3,、,温标,1),华氏温标：,1714,年荷兰华伦海特建立，以,水结冰,的温,度为,32,F,，,水沸腾,的温度为,212,F,2),摄氏温标：,1742,年瑞典天文学家摄尔修斯建立，以,冰,的熔点,定为,0,C,，,水的沸点,定为,100,C,，,3),热力学温标：,英国的开尔文建立的与工作物质无关的,温标与摄氏温度的关系为,单位为开,(,K,),，称为,热力学温度,.,温度的数值表示方法。,在不受外界影响的条件下，,系统的,宏观性质不随时间改变,的状态,三、平衡态,和,准静态过程,1,、,平衡态,2),平衡条件：,系统与外界在,宏观上,无,能量,和,物质,的交换,系统的宏观性质不随时间改变。,1),平衡态是一个,理想化模型,说明,3),动态平衡,宏观量 不随时间改变。,微观上,无规则的热运动,2,、准静态,过程,过程,:,系统状态发生变化,称系统经历了一个过程,准静态过程,:,每一时刻的状态都,近似是,平衡态,的过程,非准静态过程,:,每一时刻的状态都,不是,平衡态,的过程,2,）方程只适用于平衡态。,M,M,mol,P,V,=,R,T,-1,-1,R,=,8.31,J,.,mol,.,K,说明,：,1,）,P,、,V,、,T,只有两个独立,四、,理想气体,的状态方程,1,、理想气体的状态方程,3,）理想气体方程的其它表达形式,玻尔兹曼恒量,k,n=N/V,分子数密度,常见,准静态过程,:,等容过程、,等压过程、,等温过程、,绝热过程,热力学系统的状态,可以用,p-v,图,(p-T,图、,V-T,图,),进行描述,过程方程,2,、理想气体的状态图,平衡态,一个点,准静态过程,一条曲线,V,p,(a),(c),(b),热现象是物质中大量分子无规则运动的,集体表现,1,、热运动：,一、分子热运动的图像,17-2,分子热运动和统计规律,永不停息的,无规则,运动。,2,、布朗运动,某个分子的运动，是杂乱无章的，无序的；,各个分子之间的运动也不相同，即无序性；,二、分子热运动的基本特征,从大量分子的,整体,的角度看，存在一定的,统计规律,例如：,平衡态下，气体分子的空间分布（密度）是均匀的,1.,无序性,热运动与机械运动的本质区别,2.,统计性,可作假设：,气体分子向各个方向运动的机会均等,例,.,1.,什么是统计规律性,大量偶然事件,表现出来的一种,整体规律性,扔硬币,2.,统计规律的几个特点,:,（,1,）只对,大量偶然事件,才有意义,.,（,2,）它是不同于个体规律的,整体规律,（,3,）总是伴随着,涨落,.,三、统计规律,3.,平衡态时，理想气体的统计假设：,（,2,）大量分子,（,1,）单个分子,速度是随机的,速度按方向的分布是各向均匀的,连续两次碰撞之间所走过的路程,自由路程的平均值。,与其它分子碰撞的平均次数。,一秒钟内一个分子,自由程,平均自由程,平均碰撞频率,z,四、分子碰撞及自由程：,z,和,的关系,2,d,d,设其它分子都不动,二、平均碰撞频率的计算：,D,A,v,A,C,B,平均速率,v,有效直径,d,凡是分子中心位于管内的分子都将,与,A,分子进行碰撞,A,B,C,D,2,d,v,d,A,平均碰撞频率,考虑到其它分子都在运动，上述公式修正为：,对空气分子,d,3.5,10,-10,m,标准状态下：,平均自由程为：,几十亿次,碰撞,说明,解题步骤：,气体容器限度,l,平均自由程,1.,分子数密度,n,2.,平均自由程,=10,-2,m,1.,分子数密度,n,2.,平均自由程,例已知,:,真空管,线度,l=10,-2,m,，,分子,有效直径,:,d=310,-10,m,求,:,真空度,:,1.33,10,-3,p,a,T=27C,1.,力学假设：,（,1,）,忽略分子的大小,（,2,）,不计分子间的作用力；,（,3,）分子间的碰撞是完全弹性的；,（,4,）,单个分子遵守牛顿定律。,2.,统计假设,:,17-3,气体动理论的压强公式,一、理想气体微观模型,i,mv,ix,x,y,z,1,、,i,分子碰,一次,撞器壁所获得,的,动量增量,2,、单位时间的碰撞次数,:,1,秒钟给予器壁的冲量,=,1,l,i,分子给器壁的冲力,3,l,2,l,mv,ix,二、压强公式的推导,A,i,分子给予器壁的冲力,:,4,、,N,个分子给予器壁的压强,（,n,：分子数密度）,F,1,2,3,S,l,l,l,3,、,N,个分子的平均冲力：,分子热运动平均平动动能,由统计假设：,结论：,压强公式：,1.,宏观量,P,k,微观量,2.,压强的微观本质：,大量分子对单位面积器壁的平均冲力,说明：,3.,记住,1,、温度公式,三、温度的本质和统计意义,比较这两式得：,压强公式：,温度（,宏观量,）是分子热运动,平均平动动能,大小的量度。,2,、温度的统计意义,方均根速率,:,四、方均根速率,:,分子平均平动动能,1,.,质点的自由度,一、自由度,17-4,能均分定理 理想气体的内能,2,.,细杆的自由度,3,个,确定一物体在空间位置所需之,独立坐标数,。,2,M,M,1,l,1,）刚性细杆,质心,3,个,平动自由度,转动,2,个,转动自由度,5,个,火车：被限制在,一曲线,上运动，,自由度为,1,；,飞机：自由度为,3,（,经度、纬度、高度,）,轮船：被限制在,一曲面,上,运动，自由度为,2,，,（,经度、纬度,）,2,M,M,1,l,2,）非刚性细杆,质心,3,个,平动自由度,转动,2,个,转动自由度,6,个,振动,1,个,振动自由度,3.,刚体的自由度,质心,3,个,平动自由度,转动,3,个,转动自由度,6,个,1.,刚性分子的自由度,二、分子的自由度,1,）单原子分子,2,）双原子分子,3,）三原子 多原子 分子,i=,3,平动,3,转动,2,平动,3,转动,3,i=,5,i=,6,2.,非刚性分子的自由度,1,）单原子分子,2,）双原子分子,3,）三原子分子,i=,3,平动,3,转动,2,平动,3,转动,3,i=,6,i=,9,振动,1,振动,3,三、能量按自由度均分原理,1.,推导：,而且：,由于：,能量按自由度均分,处于平衡态的气体分子每一自由度,所分得的平均动能都为,2.,能量按自由度均分原理,四、理想气体的内能,1,、理想气体内能：,系统中所有分子热运动动能之总和。,（不包括分子间相互作用的能量）,设平动自由度,t,，,总自由度,i:,2.,刚性理想气体分子的内能：,一个分子平均总动能：,理想气体内能,转动自由度,r,刚性双原子分子,单原子分子,刚性多原子分子,理想的内能：,3.,讨论：,理想气体：,E=E,(,T,),2).,在实际上当,T,=0,E,0,!,量子力学可以证明，,仍有零点能存在。,1).,内能 是气体状态的单值函数,T,=0,当,时,例题：三个容器分别装有,1,mol,氦气,、,1,mol,氢气,和,1,mol,氨气,。将他们均视为,刚性,理想气体分子。,若它们温度都升高,1,K,，则三种气体的内能增加,值分别为多少？,解：,作业,课后习题,P41,：,17.17,助教网习题集,P41-44,：,238,239,241-244,246,263,264,