大学物理教学 第9章 气体动理论 TLC-6课时.pdfVIP

11 《大学物理》 册 篇 章 学 期 上 册 一 力 学 1－5 I 二 电磁学 6－8 下 册 三 热 学 9－10 II 四 振动与波动 11 五 光学 12－13 六 量子物理 14－17 2 我国古代，燧人氏钻木取火以化腥臊，奉为 千古圣皇； 第三篇 热 学 在古代，“火”与“热”几乎是同义词，热学 则起源于人类对于热和冷现象的本质追求。 热学中最核心的概念是“温度”，另一个重要概念是“热量” 。 在科学史上这两个基本概念长期混淆不清。 “但是一旦辨别清楚，就使得科学得到飞速的发展。” ——爱因斯坦 古希腊，普罗米修斯盗天火开罪于主神而泽 慧天下，奉为世间英雄。 3 热学是研究物体热运动的性质和规律的学科。 研究方法： 宏观：实验的方法 微观：统计的方法 热力学（第10章） 气体动理论（第9章） 研究内容： ——大量分子或原子的无规则运动称为热运动。 热现象是物体中大量分子或原子无规则运动的集体表现。 重点研究理想气体的热运动。 第三篇 热 学 从物质分子结构和分子运动出发，研究集体效应 宏观理论，以观察和实验为基础，归纳和推理 研究对象： 4 第1节 热学系统与平衡态 第2节 理想气体状态方程与微观模型 第3节 理想气体的压强和温度 第4节 能量均分定理 理想气体的内能 第5节 气体分子的速度和能量分布 第6节 范德瓦尔斯方程 第7节 分子的平均碰撞次数 平均自由程 第8节 偏离平衡态 第 9 章气体动理论(统计物理) 5 1、热力学系统 孤立系统 封闭系统 开放系统 绝热系统 系统的外界（简称外界）：能够与所研究的热力学 系统发生相互作用的其它物体或外界环境。 热力学系统（简称系统）：在给定范围内，由大量 微观粒子所组成的宏观客体（气、液、固、…）。 第1节 热学系统与平衡态 6孤立系与绝热系的关系： 绝热系仅是系统与外界无热量交换， 孤立系则是既无任何物质交换也无任何 能量交换系统，所以绝热系未必是孤立 系，但孤立系必然是绝热系。 如A、B两部落： “鸡、犬之声相闻，民至老死不相往来” 若取A部落为系统，不是孤立系，因A部 落与B部落还有声能交换； 热学系统的分割完全是“人为”的，因此对于 不同的问题，甚至对于同一问题可取不同的系统。 若取A和B两个部落为系统则为孤立系。 B A 27 2 、热力学平衡态（equilibrium state） 一个系统在不受外界影响的条件下，如果它的宏观性质 不再随时间变化，我们就说该系统处于热力学平衡态。 热动平衡: 平衡态下，组成系统的微观粒子仍处于不停的 无规运动之中，只是它们的统计平均效果不随时间变化，因 此热力学平衡态是一种动态平衡，称之为热动平衡。 注：1）一个孤立系统总是处于平衡态。 2）平衡态实质上只是一种热动平衡。 平衡态是系统宏观状态的一种特殊情况，对平衡态的 理解应将“无外界影响”与“不随时间变化”同时考 虑，缺一不可。 8 微观量：表征单个分子性质与状态量；(如：m, r, v ) 宏观量：反映整个系统宏观性质和状态的量；(如：p, T, V ) 广延量: 总系统＝各个子系统之和；(如：V，? ) 强度量: 总系统＝各个子系统，(如：T，p ) 3、状态参量和状态参量空间 状态参量 ——平衡态的描述 几何参量（如：V） 力学参量（如：p） 热学参量（如：T） 化学参量（如：?、M） 电磁场参量（如：E、B） 9 若系统经历的是平衡态过程或准静态过程，则可将其经 历的所有平衡态在状态空间上表示。 状态参量空间：以独立的状态参量为坐标构成的一个空间 ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? I 真 空11 V,P ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? II 22 V,P V P 1P 1V I 2P 2V II ? 非平衡态没有确定的P,V值，不 能以参量空间的一个点表示 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 各处压强温度密 度…等都不一致 10 分子相空间 分子相空间：六维空间中一点（x,y,z,vx,vy,vz）同一个分子 的运动状态对应，该点称为分子的代表点，这一六维空 间称为分子的相空间。 x v 分子体系某一瞬时状态 体系所有分子在相空间的 一个确定分布（该时刻） 相空间横坐标：位置坐标，纵坐标：速度或者动量 相空间空间坐标： x, y, z, 空间坐标微元：dxdydz 相空间速度坐标： vx, vy, vz，空间速度微元： dvxdvydvz 11 坐标与速度空间体积元 d d d dV x y z? z x y d d d dx y zv v v v? vz vx vy 坐标空间体积元 速