[教育]第3章 气体动理论基础.ppt

* 第3章　气体动理论基础 ?§3.1 平衡态 温度 理想气体状态方程 ?§3.2 理想气体的压强和温度 ?§3.3 能量均分定理　理想气体的内能 ?§3.4 麦克斯韦分子速率分布定律 ?§3.5 分子平均碰撞频率和平均自由程 研究热现象的微观实质，根据物质的分子结构建立起各宏观量与微 观量之间的关系。 §3.1 平衡态 温度 理想气体状态方程 一. 平衡态 1.热力学系统： 大量微观粒子(分子、原子等)组成的宏观物体。 外界: 研究对象以外的物体称为系统的 外界 系统 外界 系统分类 (1)孤立系统：与外界无能量和物质交换 (2)封闭系统：与外界有能量但无物质交换 (3)开放系统：与外界有能量和物质交换 2.热平衡态 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。 热力学系统又可系统分类为： 平衡态系统和非平衡态系统 平衡条件： (1)系统与外界在宏观上无能量和物质的交换； (2)系统的宏观性质不随时间变化。 非平衡态:不具备两个平衡条件之一的系统。 说明： 平衡态是一种热动平衡 平衡态是一种理想状态 要注意区分平衡态与稳定态。 3.热力学系统的描述 宏观量: 平衡态下用来描述系统宏观属性的物理量。 描述系统热平衡态的相互独立的一组宏观量,叫系统的状态参量。 如：气体的 p、V、T 一组态参量 一个平衡态 描述 对应 态参量之间的函数关系 称为状态方程(物态方程)。 微观量: 描述系统内个别微观粒子特征的物理量。 如: 分子的质量、 直径、速度、动量、能量 等。 微观量与宏观量有一定的内在联系。 二.温度 １.温度概念 温度表征物体冷热程度的宏观状态参量。 温度概念的建立是以热平衡为基础的 A B C A B C 实验表明： 若A与C热平衡 B也与C热平衡 则A与B必然热平衡 热力学第零定律: 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么，这两个系统彼此也处于热平衡。 (热平衡定律)。 热平衡定律说明，处在相互热平衡状态的系统必定拥有某一个共同的宏观物理性质。 定义: 处在相互热平衡状态的系统所具有的共同的宏观性质叫温度。 一切处于同一热平衡态的系统有相同的温度 ２.温标 温度的数值表示法。 摄氏温标、热力学温标 三.理想气体状态方程 克拉珀龙方程 Mmol为气体的摩尔质量； M为气体的质量； R为普适气体常量，R=8.31(J/mol-1﹒K-1)； 平衡态还常用状态图中的一个点来表示 (p－V图、p－T图、V－T图) p V 0 A(p1,V1,T1) B(p2,V2,T2) §3.2 理想气体的压强和温度 一、理想气体分子模型和统计假设 1.理想气体的分子模型： (1) 分子可以看作质点。 (2) 除碰撞外，分子力可以略去不计。 (3) 分子间的碰撞是完全弹性的。 理想气体的分子模型是弹性的自由运动的质点。 2.平衡态时，理想气体分子的统计假设有： (1) 无外场时，气体分子在各处出现的概率相同。 分子的数密度n处处相同， (2) 由于碰撞，分子可以有各种不同的速度，速度取向各方向等概率。 二、理想气体的压强公式 设平衡态下，同种气体分子质量为m，总分子数N ，体积V。 — 分子数密度（足够大） 平衡态下器壁各处压强相同，选A1面求其所受压强。 ?iz z x y 0 ?ix ?iy A1 A2 l3 l2 l1 1.一个i分子碰撞一次给A1的冲量 0 A2 A1 x y m?ix -m?ix l1 i分子速度为 ,受的冲量为 ： 器壁受的冲量为： 2m?ix 2. dt时间内i的分子对A1的冲量 i分子相继与A1面碰撞的时间间隔 dt内i分子碰撞A1的次数 dt内器壁受的冲量为： 3. dt内所有N个分子对A1的总冲量 4.在单位时间整个气体对器壁的压强 A1受的平均冲力 分子的平均平动动能 压强是对大量分子的分子数密度和分子平均平动动能的统计平均结果。 —这就是宏观量p与微观量之间的关系 压强只有统计意义。 对少量分子或个别分子上述公式不成立。 三、理想气体的温度 k为玻尔兹曼常量 温度也只有统计意义： 是大量分子热运动平均平动动能的量度。 因此，温度反映了分子无规则热运动激烈程度。 温度取决于系统内部分子(对质心)的热运动状态，与系统的整体运动无关。 §3.3 能量均分定理 理想气体的内能 气体的