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第4章2 气体动理论
* * 例:用总分子数 N ,气体分子速率 v 和速率分布函数 f (v) 来表示下列各物理量。 (1) 速率大于 vo 的分子数 (2) 速率大于 vo 的那些分子的平均速率 (3) 单个分子其速率大于 vo 的概率 * * 4-18、已知f(v)是气体分子的速率分布函数,n代表单位体积中的分子数,N代表分子总数。试说明以下各式的物理意义。 表示速率在 v ? v + dv 之间的粒子数占总粒子数的比例。 表示速率在 v ? v + dv 之间的粒子数。 表示单位体积内,速率在 v ? v + dv 之间的粒子数。 ——表示速率在 0 ? vp 速率区间内的粒子数占 总粒子数的比例。 ——表示所有粒子的平均速率。 ——表示所有粒子的速率平方的平均。 速率分布函数 f(v)的物理意义为: (A)具有速率v的分子占总分子数的百分比。 (B)速率分布在v附加的单位速率间隔中的分子数占总分 子数的百分比。 (C)具有速率v的分字数。 (D)速率分布在v附加的单位速率间隔中的分子数 * * 选择题(本题3分) * * 4.3.4 例题分析 (略) 1.有N 个粒子,其速率分布函数为: (1)作出速率分布曲线并求出常数a ; (2)分别求速率大于v0 和小于v0 的粒子数 ; (3)求粒子的平均速率. * * 解(1)作出速率分布曲线如图所示. 根据速率分布函数的归一化条件,有 * * (2)速率大于v0 的粒子数为 速率小于v0 的粒子数为 (3)粒子的平均速率为 * * 2 (略). 在300K 时,空气中速率在(1)vp附近(2)10 vp 附近单位速率区间(?v =1m·s-1)内的分子数占分子总数的百分比各是多少?平均来讲 105 mol 的空气中这区间的分子数又各是多少? (已知空气的摩尔质量约为29?10-3kg·mol-1). 解:麦克斯韦速率分布为 当T =300 K 时,对空气分子有 * * (1)v = vp 附近单位速率区间(?v =1m·s-1)内的分子数占分子总数的百分比为 (2)v =10 vp 附近单位速率区间(?v =1m·s-1)内的分子数占分子总数的百分比为 * * 105mol 的空气中的总分子数为 在v = vp 附近单位速率区间(?v =1m·s-1)内的分子数总数为 在v = 10vp 附近单位速率区间(?v =1m·s-1)内的分子数总数为 * * 1.理想气体的状态方程 平衡状态下: 或 2.理想气体的压强公式 气体动理论 小结 3. 理想气体的温度公式 能均分定理 * * 4.(自由度为i)每个分子的平均总动能: 5. 理想气体的热力学能: 双原子 多原子 单原子 6.质量为M 的理想气体的热力学能: 7.麦克斯韦速率分布律的物理含义 :分子总数 * * 作 业 4-12;4-15;4-18 * * 对于一定的气体,当温度升高时,气体分子的速率普遍增大,速率分布曲线上的最大值也向量值大的方向上移动,亦即最概然速率增大了. 但因曲线下的面积恒为1,因此分布曲线高度降低,曲线变得较为平坦. * * * * 4.2 能均分定理 理想气体的热力学能 4.2.1 自由度 4.2.2 能量按自由度均分定理 4.2.4 例题分析 4.2.3 理想气体的热力学能 * * 火车:被限制在一曲线 上运动,自由度为1; 飞机:自由度为3 (经度、纬度、高度) 轮船:被限制在一曲面上运动, 自由度为2(经度、纬度) 自由度:确定一个物体的空间位置 所需要的独立坐标数目。 4.2.1 自由度 * * 双原子分子 刚性分子: 分子内原子间距离保持不变,即不考虑不考虑振动自由度. 单原子分子 平动自由度t=3 平动自由度t=3 转动自由度r=2 1 刚性分子的自由度 * * 三原子分子 平动自由度t=3 转动自由度r=3 理想气体分子的平均平动动能是 单原子分子 * * 推广 气体分子沿x , y , z 三个方向运动的平均平动动能完全相等,可以认为分子的平均平动动能均匀分配在每个平动自由度上。 —能量按自由度均分定理 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等于 4.2.2 能量按自由度均分定理 * * 2 能量均分定理(玻尔兹曼假设) 气体处于平衡态时,分子任何一个自由度的平均能量都相等,均为 ,这就是能量按自由度均分定理 . 分子的平均能量 单原子分子 3 0 3 双原子分子
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