大学物理第8章-1

,第三篇 热 学,统计平均,绪 论,热学,:,是研究物质的与温度有关的性质和分子热运动的规律及其应用的学科，是物理学的一个重要组成部分。,研究对象：由大量分子组成的物质系统,研究方法：不能用研究质点系的方法进行研究,微观模型,宏观热现象,微观本质,力学规律,统计方法,根据对热现象研究方法的不同，热学又可分为宏观理论和微观理论两部分。,微观理论,统计物理学,宏观热现象,宏观热现象的规律,观察实验,逻辑推理,宏观理论,热力学,描写宏观物质整体特征的量。如体积、温度、压强和内能等。,宏观量,描写单个微观粒子特征的量。如分子质量、位置、速度、能量等。,微观量,第八章 气体分子动理论,气体分子动理论的基本概念,研究思路,根据研究对象：理想气体的特点和研究任务，提出平衡态的概念，建立理想气体的微观模型，提出统计假设，在此基础上应用力学规律，推导出理想气体的压强公式，结合理想气体的状态方程，得到温度公式，从而揭示宏观量压强和温度的微观本质。应用自由度的概念，得到能量按自由度均分原理，揭示宏观量,-,内能的本质。集中体现了气体动理论的研究方法。,根据气体分子热运动的图景，提出分子速率分布和速度分布的概念，给出麦克斯韦速率分布律和速度分布律。根据分子的有效半径推导出气体分子的平均碰撞频率和平均自由程的计算公式。把麦克斯韦速度分布律推广得到波耳兹曼能量分布律。,一、状态参量、平衡状态与非平衡状态,由大量分子、原子组成的宏观物质称为,热力学系统,或,系统,。,1,、系统与外界,系统以外且与系统发生物质、能量交换的物质系统,称为,外界,。,根据系统和外界的关系，可将系统分为以下几种类型：,孤立系统：与外界不发生任何物质和能量交换的系统。,封闭系统：与外界只有能量交换没有物质交换的系统。,开放系统：与外界同时发生能量交换和物质交换的系统。,系统与外界之间的界面叫做系统的,边界。,气体分子动理论的基本概念,常见的热力学系统的状态参量是,压强、体积和温度,等。,2,、,状态参量：,描述热力学系统状态的,宏观,物理量，称为,状态参量,。,体积,V,：,气体所能达到的最大空间。（几何描述）,单位：,温度,T,：描述系统冷热程度的物理量，标志系统内部分子,无序运动的剧烈程度。（热学描述）,热力学温标,T,：单位为,K,（开尔文）,摄氏温标与热力学温标的关系为：,摄氏温标,t,：单位为,0,C,（,摄氏度,）。,压强,p,：垂直作用于容器壁单位面积上的压力。（力学描述）,单位：,标准大气压：,华氏（,Farenheit,）温标选用,NH4Cl(,氯化铵,),和水的混合物的温度为,0,而以人,(,他妻子,),的体温为,96,。后来改为冰水混合物为,32(,即冰点,),而以水沸点的温度为,212,，中间分为,180,等份，每一等份代表,1,度，这就是华氏温标，用符号,F,表示,.,摄氏温度与华氏温度的换算式是：,5,（,tF-50,）,=9(tC-10),式中,tF,华氏温度，,tC,摄氏温度,华氏度比摄氏度较小。一华氏度等于,5/9,摄氏度，彼此间的转换很容易。将摄氏度转成华氏度：直接乘以,9,，除以,5,，再加上,32,即行。例如，你的体温是,37,摄氏度。,37,乘以,9,等于,333,。除以,5,等于,66.6,。,32,加,66.6,得,98.6,，这就是你体温的华氏度数。,3,、平衡态：,在没有外界作用的条件下，系统的宏观性质不随时间变化的状态，,称为,平衡态,。,准静态过程是无限缓慢的状态变化过程，是实际过程的抽象，是,理想,的物理模型,准静态过程,p,V,O,p,a,V,a,p,b,V,b,a,平衡态,b,平衡态,准静态过程可用,p,-,V,图,中的,连续曲线,表示。,4,、平衡过程：,若从一个平衡态到另一个平衡态的过程中所有状态都无限接近平衡态，则此过程为,平衡过程,或称,准静态过程,。,平衡态可,用,p,-,V,图上的,一点,表示。,p,V,O,a,b,p,a,V,a,p,b,V,b,平衡态,平衡态,二、统计规律的基本概念,1,、偶然事件：在一定条件下不能预测而又可能存在的事件。,例：,伽尔顿板实验,对单个小球而言，其运动规律完全是偶然的。,大量小球或一个小球重复投入许多次的分布具有必然性；,即系统的宏观性质是大量微观粒子运动的集体表现。,宏观量,与相应的,微观量的统计平均值,有关。,2,、统计规律：,大量偶然事件的,总体,所具有的统计规律性。,求统计平均值,寻找统计规律的方法,定义,M,的,统计平均值,。,定义,系统处于微观状态,A,的次数,N,A,除以实验总次数,N,所得,的比值，在,N,时的极限值，称为系统处于微观状态,A,的概率，即,描述随机事件出现的可能性大小的量度,4,、,涨落：宏观量的实际测量值与统计平均值的偏差。,归一化条件,系统处于一切可能状态的概率总和等于,1,。,设系统处于确定的宏观态状态时，测量值是,M,A,的次数为,N,A,；测量值是,M,B,的次数为,N,B,，,实验总次数为,3,、,统计平均值与概率,统计平均值,当 时，分子力,主要表现为引力,.,当 时，分子力,主要表现为斥力；,三、物质的微观结构模型,1,、分子、原子观点,:,宏观物体由大量,微观粒子,（分子、原子,),组成。,2,、分子运动的观点：,组成物质的分子在,永不停息,地作,无规则,的,热运动,。,3,、分子力观点：,分子间有相互作用力。,当 时，分子处于平衡,状态，分子力为零；,四、理想气体的微观结构模型与统计假设,1,）,理想气体,分子可视为质点，运动遵循牛顿运动定律。,2,）,理想气体,分子间、分子与器壁间的碰撞是完全弹性的。,3,）除碰撞瞬间外，,理想气体,分子间无相互作用。,1,、理想气体的微观结构模型：,1,）,理想气体分子,是均匀分布（分子数密度相等）的。,2,、统计假设,:,（,平衡态,）,2,）,在平衡状态下，理想气体,分子沿各方向运动的,概率,相同。,分子沿各个方向运动的速度分量的各种平均值应该相等。,分子运动速度,