分子运动平均能量课件

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,*,第八章 分子物理学基础,分子物理学,热 力 学,研究热运动规律,从物质的,微观结构出发,，,用统计规律,建立,宏观量与微观量的联系,，从而揭示热本质,从物质的,宏观状态出发,，,以能量转换,与守恒的方法,来研究热运动过程的规律,热学,热力学所研究的物质宏观性质只有经过分子物理学的分析、才能了解其本质,分子物理学的理论，只有经过热力学的研究才能得到验证,分子物理学和 热 力 学相 互 联 系相 互 补 充,（宏观理论）,（微观理论）,机械运动,运动,热运动,物质由大量微观粒子组成,粒子不停作无规则运动,物体之间或同一物体各部分之间相对位置随时间的变化,1,第八章 分子物理学基础 分子物理学热 力 学研,表征个别分子特性的物理量称为微观量,如：分子运动的,速率、质量、平均能量等,不能,直接测量,表征大量分子集体特性的量称为宏观量。,如：气体的,体积、温度、压强、质量等。,相关概念,可以,直接测量,单一分子,的运动状态是瞬息万变的，无规则的。,用力学的方法来描述每个分子的运动是不可能的。,大量分子,的整体行为却是有规律的，称统计规律性,伽耳顿板实验,微观量：,宏观量：,统计规律：,2,表征个别分子特性的物理量称为微观量如：分子运动的速率、质量、,小球落入其中一,分布服从,统计规律,大量小球在空间的,格是一个偶然事件,小球数按空间,位置,x,分布曲线,伽耳顿板演示,3,小球落入其中一分布服从统计规律大量小球在空间的格是一个偶然事,分布曲线,飞镖,4,分布曲线飞镖4,在热学中通常把所,研究的对象或系统,称为热力学系统。把系统以外的物质称为,外界,。,热力学系统:,开放系统：,系统与外界既有能量，又有质量交换,封闭系统：,孤立系统：,系统与外界,只有能量，而无质量交换,系统与外界,既无能量，又无质量交换,做功、热传递,蒸发、凝结、扩散、泄露,气动理论任务,：揭示气体宏观量的微观本质，建立,宏观量与微观统计平均值间的关系。,5,在热学中通常把所研究的对象或系统称为热力学系统。把系统以外的,物质的微观模型,1、一切物质由大量微观粒子（分子、原子）组成，分子间有空隙。,2、组成物质的分子间有相互作用力。,r=,r,0,=10,-10,m,r r,0,3、分子不停地作无规则运动(平 动、转动、振动),剧烈程度与温度有关热运动。,既有引力又有斥力,平衡距离,合力,f =,0,引力和斥力,相互抵消,合力,f,0,引力起主要作用,r,0,斥力起主要作用,布郎运动,6,物质的微观模型 1、一切物质由大量微观粒子（分子、原子）组成,1.状态参量,压强 P：,单位：,p,a,帕,体积 V：,气体分子所能达到的空间,单位：,m,3,立方米,分子作用器壁单位面积上的正压力,温度 T：,物体冷热程度,热力学温标 T,摄 氏 温 标 t,（K）,华氏温标,9.1 理想气体的压强、温度与内能,一、理想气体的状态方程,7,1.状态参量压强 P：单位：pa 帕体积 V：气体分子所能达,2.相关概念,(1)理想气体:,遵守,“三大实验定律”,的气体称为理想气体。,真实气体在温度不太低，压强不太高时可似为理想气体。,玻意耳-马略特定律,（等温变化）,查理定律（等容变化）,盖-吕萨克定律,（等压变化）,8,2.相关概念(1)理想气体:遵守“三大实验定律”的气体称,(2)平衡态:,当气体各状态参量(),不随时间变化时,此状态为平衡态,热动平衡：,平衡时：,系统与外界没有任何的能量交换,系统内部也没有任何其它形式的能量转化,(3)准静态过程：,一个状态,另一状态,一系列中间状态,状态变化过程,无限接近平衡态,准静态过程,（平衡过程）,系统内各分子在不停运动着,系统分子热运动平均效果不变,隔板,真空,P V T,9,(2)平衡态:当气体各状态参量()不,2.理想气体的状态方程,(1)气体质量一定时(1mol),(2)气体质量变化时,10,2.理想气体的状态方程(1)气体质量一定时(1mol)(,(3)用分子数密度n表示,分子数密度,玻尔兹曼常数,注意:,适用,理想气体，平衡态，,单位统一,P:帕斯卡 V:立方米 T:开尔文,11,(3)用分子数密度n表示分子数密度玻尔兹曼常数注意:适用理,二、理想气体的压强,（3）除碰撞瞬间，分子与分子，分子与容器壁间均无相互作用，且忽略重力影响。,1.理想气体的分子模型,（1）气体分子可视为质点，每个分子的运动遵从牛顿运动定律。,2.统计假设,（平衡态下）,容器中任一位置处单位体积内的分子数相同,分子速度在各个方向上的分量的各种平均值相等,假设依据：,在平衡态，气体分子的空间分布到处均匀,假设内容：,（2）每个分子当作弹性小球，分子间碰撞、分子与容器壁间碰撞，遵守能量守恒和动量守恒。,12,二、理想气体的压强（3）除碰撞瞬间，分子与分子，分子与容器,分子a与 A,1,面碰撞是完全弹性的,3.理想气体压强公式的推导,A,1,面给分子的冲量,分子给A,1,面的冲量,所用时间,分子,a,1 秒钟内，分子,a,与 A,1,面碰撞的次数,13,分子a与 A1 面碰撞是完全弹性的3.理想气体压强公式的推,1 秒钟内，一个分子给A,1,面的冲量,1 秒钟内,全部分子对,A,1,面的总冲量,1 秒钟内，全部分子对,A,1,面的平均压力,14,1 秒钟内，一个分子给A1面的冲量 1 秒钟内,全部分子对,（3）,考虑分子之间的碰撞也不影响压强公式的结论,（4）对任意形状的容器，上述结果仍然成立,（2）由于,n、,都是统计平均值，所以压强具有统计意义,（5）分子物理学处理问题的方法,单个分子的运动服从牛顿力学,说明：,大量分子的运动服从统计规律,(1)压强的实质:,气体压强实际是大量气体分子与器壁碰撞的宏观效果,反映宏观量与微观量之间关系,15,（3）考虑分子之间的碰撞也不影响压强公式的结论（4）对任意,温度是分子平均平动动能的量度,三、理想气体的温度公式,压强公式,2.温度公式,状态方程,1.平均平动动能与温度的关系,3）,在同一温度下，各种气体分子平均平动动能均相等。,1）,温度是分子平均平动动能的量度（反映热运动剧烈程度）.,2）,温度是大量分子的集体表现，个别分子无意义.,16,温度是分子平均平动动能的量度三、理想气体的温度公式压强公式2,气体分子的,方均根速率,与气体的,种类,和,绝对温度,有关。,3.气体分子的方均根速率,讨论气体压强、内能等用方均根速率,17,气体分子的方均根速率与气体的种类和绝对温度有关。3.气体分子,四、理想气体的内能,1.自由度,确定一个物体在空间位置所需独立坐标的数目,（1）质点在空间运动，需用（,x，y，z,）确定其位置。所以自由质点有三个平动自由度,i=,3。,（3）如果质点被限制在直线或曲线上运动，则其自由度,i,=1。,（2）如质点被限制在平面或曲面上运动，则,i,=2；,18,四、理想气体的内能1.自由度确定一个物体在空间位置所需独立,刚性气体分子 的自由度,(1)单原子分子,（平动）,(2)双原子分子,（平动）,（转动）,只有平动、转动，没有振动,(3)三原子以上多原子分子,（平动）,（转动）,2.刚性气体分子的自由度,19,刚性气体分子 的自由度(1)单原子分子（平动）(2),3.能量按自由度均分原理,温度T平衡态气体分子每一个自由度上都有相同平均动能,平动时能量()按自由度()平均分配(,).转动同理,-能量按自由度均分定理,20,3.能量按自由度均分原理温度T平衡态气体分子每一个自由度上都,一个分子的平均总能量,单原子分子,多原子分子,双原子分子,根据能量按自由度均分定理，可求出每个分子的能量,21,一个分子的平均总能量单原子分子多原子分子双原子分子根据能量按,4.理想气体的内能,(1)一个气体分子 的平均总能量,(2)一摩尔气体内能,(3),M,kg 气体的内能,理想气体的内能只是温度的单值 函数，其内能增量与过程无关，只与始末状态有关。,气体的内能-所有气体分子的动能和势能的总和。,对于理想气体，分子之间的相互作用力忽略不计，因而分子之间的相互作用势能也忽略不计，理想气体的内能仅是所有,气体分子的动能总和。,22,4.理想气体的内能(1)一个气体分子 的平均总能量(2),例1：,已知理想气体：,求,:(1)气体的压强;(2).气体的总能量;(3).气体的温度。,解：,(1).,(2).,(3).,23,例1：已知理想气体：求:(1)气体的压强;(2).,例2：,(1),内能必相等;,（）,两种理想气体温度相同，则,:,(2)分子的平均动能必相等,(3)分子的平均平动动能必相等,（）,（）,例3：,两种理想气体A,B，V,A,V,B,，P,A,=P,B,，i,A,=3，i,B,=5,问：单位体积内能 E,A,/V,A,与E,B,/V,B,大小关系？,24,例2：(1)内能必相等;（）两种理想气体温度相,例4：,求在多高的温度下，理想气体分子的平均平动动能等于,1ev,解：,25,例4：求在多高的温度下，理想气体分子的平均平动动能等于1ev,例,就质量而言，空气是由76%的,N,2,，23%的,O,2,和1%的,A,r,三种气体组成，它们的分子量分别为28、32、40。空气的摩尔质量为28.9,10,-3,kg,，试计算1,mol,空气在标准状态下的内能。,解：在空气中,N,2,质量,摩尔数,O,2,质量,摩尔数,26,例 就质量而言，空气是由76%的N2，23%的O2和1,A,r,质量,摩尔数,1,mol,空气在标准状态下的内能,27,Ar质量摩尔数1mol空气在标准状态下的内能27,一、理想气体的状态方程,(1)气体质量一定时,(2)常用形式,(3)分子数密度n表示,小结,二、理想气体的压强公式,三、理想气体的温度公式,气体分子的方均根速率,28,一、理想气体的状态方程(1)气体质量一定时(2)常,四、理想气体的内能,1.自由度,(1)单原子分子,(2)双原子分子,(3)多原子分子,2.能量按自由度均分原理,在温度为T的平衡态下，气体分子的每一个自由度上都均匀分配,的平均动能。,一个分子的平均总动能,一个分子的平均总能量,3.理想气体的内能,一摩尔气体内能,29,四、理想气体的内能1.自由度(1)单原子分子(2),中国古代的热学知识,我国古代的热学知识大部分是生活和生产经验的总结。至今所知的古籍中对热的研究记载较少，还有待于进一步发掘。,火的利用和控制，使人类第一次支配了自然力，使人类文明大大前进了一步，同时，它也是古人对热现象认识的开端。我国山西省芮城西侯度旧石器的遗址，说明大约180万年前人类已经开始使用火。,对冷热的认识。约在公元前2000年，我国已有气温反常的记载，在两周初期，人们开始掌握降温术和高温术。据周礼记载，当时已设专人司贮冰事，冬季凿冰加以贮藏，到春、夏季用以冷藏食物和保存尸体。说明当时已利用天然冰来降温。我国冶炼业的发展较早，高温技术也很早被人们掌握。江苏省曾出土春秋晚期的一块铁，经科学分析，它是一块生铁，生铁的冶炼温度比熟铁高，需达摄氏千度以上。生铁的出土，说明在那时的高温技术已达到一定水平。,30,中国古代的热学知识30,温度计还没有发明以前，古人在冶炼金属的实践中，创造了通过观察火候和火色来判别温度高低的方法。据考工记记载，在铸铜与锡时，随温度的升高，火焰的颜色先后变为暗红色、橙色、黄色、白色、青色，然后才可以浇铸。这种方法同样也应用于制陶工业。从现代科学分析，不同物质有不同的汽化点，因此从火焰的颜色可以判断所汽化的物质，从而判断温度的高低。对同一种物质，随着温度的升高，其颜色也先后有所变化。“火候”（包括火色）成了我国古代热工艺中一个内容丰富的特有概念。,除制陶和冶炼金属之外，我国古代还在农业中采用了控温技术。据汉书召信巨传记载，西汉末年，我国己利用冬季栽培蔬菜，其方法是“覆以屋庑，昼夜蕴火，待温气乃生。”北魏时期，还利用熏烟的方法防止霜冻。,对冷热问题，东汉王充还曾从理论上加以