6第六章气体动理论基础.doc

第三篇 热 学 热学是研究物质的各种热现象的性质和变化规律的一门学科。与温度有关的现象称为热现象。从微观看，热现象就是宏观物体内部大量分子或原子等微观粒子的永不停息的、无规则热运动的平均效果。 18到19世纪，由于蒸汽机的广泛应用，有力推动了热现象及规律的研究。由迈耶)、焦耳、亥姆霍兹等人建立了与热现象有关的能量转化和守恒定律，即热力学第一定律。 接着开尔文、克劳修斯等人建立了描述能量传递方向的热力学第二定律。这种以观察和实验为基础，运用归纳和分析方法总结出热现象的宏观理论称为热力学。 另一种研究热现象规律的方法是从物质的微观结构和分子运动论出发，以每个微观粒子遵循力学规律为基础，运用统计方法，导出热运动的宏观规律，再由实验确认。用这种方法所建立的理论系统称为统计物理学。 19世纪由克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼、吉布斯等人在经典力学基础上建立起经典统计物理。20世纪初，由于量子力学的建立，狄拉克、爱因斯坦、费米、玻色等人又创立了量子统计物理。 热学包括统计物理和热力学两部分。热力学的结论来自实验，可靠性好，但对问题的本质缺乏深入了解。统计物理的分析对热现象的本质给出了解释，但是只有当它与热力学结论相一致时，统计物理才能得到确认，因此，两者相辅相成，缺一不可。 第六章 气体动理论基础 教学时数：7学时 本章教学目标 了解热学的研究对象，理解平衡态、温度的物理意义，了解热力学第零定律、理想气体分子模型；理解理想气体的压强公式，温度的统计解释，以及气体分子的方均根速率、能量均分定理的物理意义；理解麦克斯韦分子速率分布定律、分子速率的三个统计值和分子平均自由程的含义。 教学方法：讲授法、讨论法等 教学重点：理解理想气体的压强公式，温度的统计解释，以及气体分子的方均根速率、能量均分定理的物理意义； §6—1 平衡态 温度 理想气体状态方程 一、平衡态 热学的研究对象是大量微观粒子(分子、原子等微观粒子)组成的宏观物体，通常称这样的研究对象为热力学系统，简称系统。 系统与外界之间既有能量交换(例如作功、传递热量)，又有物质交换(例如蒸发、凝结、扩散、泄漏)。 根据系统与外界交换特点，通常把系统分为三种： 一种是不受外界影响的系统，称为孤立系统。孤立系统是与外界既无能量交换，又无物质交换的理想系统。 另一种是封闭系统，与外界只有能量交换，而无物质交换的系统。 第三种是开放系统，与外界既有能量交换，又有物质交换的系统。 平衡态：热力学系统按所处的状态不同，可以区分为平衡态系统和非平衡态系统对于一个不受外界影响的系统，不论其初始状态如何，经过足够长的时间后，必将达到一个宏观性质不再随时间变化的稳定状态，这样的状态称为热平衡态，简称。 在此我们必须注意平衡态的条件是：“一个不受外界影响的系统”。若系统受到外界的影响，如把一金属棒的一端置入沸水中，另一端放入冰水中，在这样的两个恒定热源之间，经过长时间后，金属棒也能达到一个稳定的状态，称为定态，但不是平衡态，因为在外界影响下，不断地有热量从金属棒高温热源端传递到低温热源端。 系统处于平衡态时，必须同时满足两个条件： 一是系统与外界在宏观上无能量和物质的交换； 二是系统的宏观性质不随时间变化。 换言之，系统处于热平衡态时，系统内部任一体元均处于力学平衡、热平衡(温度处处相同)、相平衡(无物态变化)和化学平衡(无单方向化学反应)之中。孤立系统的定态就是平衡态。 注意： (1)平衡态仅指系统的宏观性质不随时间变化，从微观的角度来说，组成系统的大量粒子仍在不停地、无规则地运动着，只是大量粒子运动的平均效果不变，这在宏观上表现为系统达到平衡，因此这种平衡态又称热动平衡态。 (2)热平衡态是一种理想状态。实际中并不存在孤立系统，但当系统受到外界的影响可以略去，宏观性质只有很小变化时，系统的状态就可以近似地看作平衡态。 反之，如果系统不具备两个平衡条件之一的状态，都叫非平衡态。 如存在未被平衡的力，则会出现物质流动；如果存在冷热不一致(温差)，则会出现热量流动； 如果存在未被平衡的相(物态)则会出现相变(物态变化)； 如果存在单方向化学反应，则会出现成分的变化(新物质增加，旧物质减少)，即系统中存在任何一种流或变化时(宏观过程)，系统的状态都不是平衡状态。 系统的状态参量：系统在热平衡状态下，拥有各种不同的宏观属性，如几何的(体积)、力学的(压强)、热学的(温度)、电磁的(磁感应强度、电场强度)、化学的(摩尔质量、摩尔数)等等。 用来描写热平衡态下各种宏观属性的物理量叫系统的宏观参量。从诸多参量中选出来描写系统热平衡态的一组相互独立的宏观参量叫系统的状态参量。 对于给定的气体、液体和固体，常用体积(P)、压强(p)和温度(r)等宏观参量实验表明，这些宏观参量在平衡态下