气体分子运动学简要

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,*,引言,一、热学研究对象及内容,对象,：,热力学系统,内容,：,与热现象有关的性质和规律,二、研究方法,宏观方法：,微观方法：,气体动理论,热力学基础,从物质的微观结构出发，用统计平均方法,宏观状态间的变化和过程,用实验确定规律,热力学系统的平衡态,三、,宏观量与微观量,宏观量,：,表征系统整体的物理量，可具 体测量，如质量、体积、压强、温度等,微观量,：,描写单个微观粒子运动状态的物理量，,不能直接测量，如分子的速度，能量等,广延量,强度量,宏观量是微观量的统计平均值,1.,理解,平衡态,准静态过程,等概念,.,掌握,理想气体状态方程及其应用,;,2.,理解理想气体的压强及温度的微观本质,.,本次课的教学主要要求,:,3.,理解,能量按自由度均分的原理,.,掌握和理解,内能的概念,.,重点,难点,理想气体的压强及温度的微观本质,内能,一 平衡态和准静态过程,热力学系统：,孤立系统,封闭系统,开放系统,平衡状态,:,热力学系统,达到的稳定不再有任何宏观性质变化的状态,.-,热动平衡,注意：平衡态与稳定态、非平衡态的区别,热力学过程：,热力学系统,状态变化,的历程,描述：,宏观状态参量,气体的状态参量,:,压强,p,体积,V,温度,T,.,p,V,O,平衡态,用一组,(,p,、,V,、,T,),表示,p,2,2,1,1,a,b,c,d,o,(,l,),(atm),V,准静态过程,:,准静态过程,可用,PV,图上的一条曲线表示，,称之为过程曲线。,如果在,过程,的任意时刻,系统都无限接近于一个平衡态,.,它是由一系列,依次接替,的平衡态所构成的过程,.,例如：准静态过程,PV,图上,过程曲线,例,:,准静态等温膨胀做功过程,的模型,-,体积从,V,1,膨胀到,V,2,P,e,P,P,弛豫时间,:10,-3,s,P,V,O,准静态传热过程的模型,-,温度从,T,1,升高到,T,2,：,T,1,T,1,T,1,+dT,T,1,+dT,T,1,+2dT,T,1,+2dT,T,2,-dT,T,2,-dT,T,2,T,2,(1),a,F,=32+1.8,b,C,热力学第,零,定律,多个热力学系统处于同一,热,平衡状态时所具有的共同,(,冷热度,),宏观性质,.,(2)t C,=,T(K),273.15,理想气体温标,:,(K),不同单位温标间的换算,:,温度定量描述法,:,摄氏温度温标,:,标准温度定点,:,水的三相点温度,273.16(,K,),t(C),华氏温标,:,(F),与物质无关,经验温标,与物质有关,热力学温标,T (K),与物质无关,二 宏观状态参量,-,温度,一些实际的温度值,热力学零度,(,绝对零度,),是不能达到的,!,热力学第,三,定律,三,.,理想气体的状态方程,气体的状态参量,:,状态参量,标准单位 常用单位 主要换算关系,体积,(,代号,V,),升,(),压强,(,代号,p,)Pa atm 1atm=101325Pa,温度,(,代号,T,)K(,代号,T,)C(,代号,t,),t,=,T,273.15,一定质量的理想气体,宏观状态间的变化和过程,*,标准状态参数,:,1,摩尔气体,实验规律,普适气体常量,玻耳兹曼常量,理想气体的状态方程,另一形式：,注意：,每个物理量的意义！,理想气体的状态方程,：,理想气体热力学系统典型,准静态,等值,过程曲线,O,p,V,V,2,V,1,p,等体过程,等压过程,等温过程,图示法,:,V,T,.,a,b,c,T,V,V,c,V,a,例,:,某种柴油机汽缸,容量,为,0.827,10,-3,m,3,.,设压缩前其中气体,(,空气可视为理想气体,),的,温度,是,47C,压强,为,8.5 10,4,Pa,当活塞急剧上升时,.,可把空气,压缩到原体积,的,1/17,压强,增加到,4.2 10,6,Pa.,求此时空气的温度,?,这时将柴油喷入汽缸将发生怎样的情况,分析,这一温度超过了柴油的燃点,所以喷入柴油会立即燃烧,.,柴油的燃点,220,汽油的燃点,427,解,:,将空气看作,理想气体,且,质量不变,例,:,容器内,装有,0.1kg,氧气,.,压强为,1010,5,Pa,温度为,47C.,问,:,容器的容积有多大,?,解,:(,1),根据理想气体状态方程,(2),漏气后容器体积不变 设容器内的压强、温度分别为,p,、,T,质量为,m,可见漏去气体质量,m,=,m,m,=0.1,0.0667=0.0333 kg,由于容器,漏气,经一段时间后压强降到原来的,5/8,温度降到,27C.,问,:,漏了多少氧气,?(,设,氧气可看作,理想气体,),例,:,一容器内贮有,气体,温度是,27C,(1),压强为,1.013 10,5,Pa,时,在,1m,3,中有多少个分子,;,(2),在高真空时压强为,1.33 10,5,Pa,在,1m,3,中有多,少个分子,?,解,:,(1),(2),四,.,理想气体的微观模型,对于由大量的分子组成的热力学系统,只在质心参考系中,用统计方法,讨论热现象和热学规律,实际基本特征,:,混乱性和无序性,*,分子间有空隙。,*,分子之间存在相互作用力。,*,分子在,频繁的相互碰撞，,永不停息地作热运动。,(,1),分子的体积可以忽略,.,(,2),分子服从经典运动规律,.,(,3),除碰撞瞬间外,分子间的作用力可忽略,.,(4),分子之间,分子与器壁之间,的碰撞是,完全弹性,的,.,对于理想气体，关于每个分子的力学性质的假设,五 大量分子,统计性假设,(1),每个分子由于频繁碰撞速度不断在改变,;,(2),平衡态时,分子按位置的分布均匀,;,(3),平衡态时,分子速度按方向分布均匀,各方向运动机会均等,理想气体的热力学平衡状态下,分子的,平方速率平均值,大量分子,统计值,!,结论,:,（,1,）,压强是大量气体分子热运动统计平均,的结果,对个别分子谈压强,毫无意义,!,（,2,）压强公式是一个,统计规律,，不是力学规律；,宏观上都是压强增大，但微观意义不同。,理想气体压强公式,六 压强公式,七 温度的本质和统计意义,根据,:,理想气体状态方程,理想气体压强公式,说明,:,1.,温度,是描写热力学,系统平衡态,的物理量,.,2.,温度,是一个,统计概念,.,描述大量分子的集体状态,.,4.,温度,与物体的整体运动无关,.,3.,温度,与分子热运动,(,平均平动能,平均,转动,振动,动能等,),有关,.,贮有氮气的容器以速度,v,=100m/s,运动,当容器,突然停止,容器中的温度会升高吗,?,思考,:,根据理想气体的压强公式,分子的,方均根速率,v,rms,在,0,C,时气体的方均根速率,气体种类 方均根速率,(m.s,-1,),摩尔质量,(10,-3,kg.mol,-1,),O,2,4.61,10,2,32.0,N,2,4.93,10,2,28.0,H,2,1.84,10,3,2.02,CO,2,3.93,10,2,44.0,H,2,O,6.15,10,2,18.0,八 气体分子的方均根速率,（记住数量级！）,例如,:T,=273K,时，,解,:,例,:,求氮气分子的,平均平动动能,和方均根速率,.,设,(1),在,温度,t,=1000C,时,(2),在,温度,t,=0C,时,;,九,.,能 量 均 分 定 理,自由度,i,:,确定一物体在空间位置所需之独立坐标数,.,He,O,2,H,2,O,CO,2,NH,3,CH,3,OH,i,=3 5 6 6 6 6,理想刚性分子,自由度数目,i,能量均分定理,在温度为,T,的平衡态下,气体分子每个自由度的,平均,动能,都相等且等于,每个气体分子的,平均总动能,:,(,i,=6,三个原子以上,.),单 原 子 分 子,i,=3,刚性双原子分子,i,=5,刚性三个原子分子,i,=6,内能,=,动能,（平动、转动和振动）,+,势能,(,分子内及分子间相互作用,),理想气体,的,内能,E,=,分子的平动动能,+,分子的转动动能,理想气体的内能,1 mol:,质量为,M,:,一,个分子：,(,摩尔,数,),理想气体的内能,完全决定于气体的质量,i,和,T,对于一定量的某种理想气体的内能而言,其内能只是温度的,单值函数,摩尔气体的总动能,(,即,:,内能,),指出下列各式所表示的物理意义,作业,:,练习册,P174:1,2;,12.6;12.9 12.10,