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气体动理论参考资料
第十九章 气体动理论
一、基本要求
1. 了解气体分子热运动图像,能从宏观和统计意义上理解压强、温度、内能等概念。
2. 初步掌握气体动理论的研究方法,了解系统的宏观性质是微观运动的统计表现。
3. 理解麦克斯韦速率分布律及速率分布函数和速率分布曲线的物理意义,了解玻尔兹曼能量分布律。
4. 理解能量按自由度均分定理。
5. 了解气体分子平均碰撞频率及平均自由程。
二、重要概念和基本规律
1. 平衡态
在不受外界影响的条件下,一个系统的宏观性质不随时间改变的状态。
2. 理想气体状态方程
在平衡态下,理想气体各参量之间满足关系式
或
式中为气体摩尔数,摩尔气体常量
J·mol·K
玻尔兹曼常量
J·K
3. 理想气体压强的微观公式
4. 温度及其微观统计意义
温度是决定一个系统能否与其它系统处于热平衡的宏观性质,在微观统计上
5. 能量均分定理
在平衡态下,分子热运动的每个自由度的平均动能都相等,且等于。以表示分子热运动的总自由度,则一个分子的总平均动能为
6. 速率分布函数
麦克斯韦速率分布函数
7. 三种速率
最概然速率
平均速率
方均根速率
8. 玻尔兹曼分布律
平衡态下某状态区间(粒子能量为)的粒子数正比于
重力场中粒子数密度按高度的分布(温度均匀):
9. 范德瓦尔斯方程
采用相互作用的刚性球分子模型,对于1mol气体
10. 气体分子的平均自由程
11. 输运过程
内摩擦
,
热传导
扩散
,
三、习题选解
19-1. 一根铜棒的两端分别与冰水混合物和沸水接触,经过足够长的时间后,系统也可以达到一个宏观性质不随时间变化的状态。它是否是一个平衡态?为什么?
答:这不是一个热力学平衡态。
平衡态是指热力学系统在不受外界影响的条件下,系统的宏观性质不随时间变化的状态。所谓的没有外界影响,指外界对系统既不做功又不传热。
两端分别与冰水混和物和沸水接触的铜棒,在和沸水接触的一端,铜棒不断吸收热量,而在和冰水混合物接触的一端,铜棒不断的释放热量。铜棒和外界以传热的方式进行能量交换,因而它不是一个热力学平衡态。
19-2. (1)水银气压计中混进了一个空气泡,因此它的读数比实际的气压要小一些。当精确的气压计的水银柱为0.768m时,它的水银柱只有0.748m高,此时管中水银面到管顶的距离为0.080m。试问此气压计的水银柱为0.734m高时,,实际的气压应是多少?(把空气看作理想气体,并设温度不变)
(2)水银气压计中,从水银池表面到封闭管管顶的距离为Lmm,在标准气压计的读数为HmmHg和温度的情况下,有一个空气泡进入管中,因此水银柱的长减到h1mm。求这一气压计的气压修正量的表达式,引入后可对任何温度的任何压强读数h作修正。
解:(1)设第一状态气体的压强为,体积为;第二状态气泡的压强为,体积为,气压计截面积为,如图所示
=768-748=20mmHg
=0.080
=[0.080+(0.748-0.734)]
由于温度不变,有,所以
mmHg=17mmHg
实际压强为
mmHg=1.00×105Pa
(2)设气压计的截面积为。当标准气压计的读数为,温度为,气压计中气柱的体积为,其压强应是;如果在温度时,水银柱高度是,则气泡的体积,压强是。据气体状态方程,有
所以
测出的压强应为
19-3. 如图所示,两个相同的容器装着氢气,
以一光滑水平玻璃管相连,管中用一滴水银
做活赛,当左边容器的温度为,而右边
容器的温度为时,水银滴刚好在中央
维持平衡。试问:
当右边容器的温度由升到时,水银是否会移动?怎样移动?
(2)如果左边温度升到,而右边升到,水银滴是否会移动?
(3)如果要使水银滴在温度变化时不移动,则左右两边容器的温度变化应遵从什么规律?
解:(1)可假设水银柱不移动,这样左边容器从升到时,压强会增大,所以水银将向右侧移动。
(2)同样假设水银滴不移动,左右两侧体积不变。以表示左右两侧未升温前的压强,表示升温后左侧压强,表示升温后右侧压强,则
可以看出
水银滴左侧的压强大于右侧的压强,水银滴将向右侧移动。
(3)依条件
由
19-4.(1)推导压强公式时,为什么不考虑分子间的相互碰撞?
(2)推导压强公式时,如果不假设每个分子与器壁的碰撞是弹性的,而把气体分子的动量改变分成两部分来
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