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热学(分子运动论热力学)
热学(分子运动论 热力学)研究对象 热运动: 微观本质:与物体中分子或原子的无规运动联系,∵物质结构的特征,热运动也是自然界中一种基本的运动形式。 宏观表现:与热现象有关,热现象非常广泛,处处可见的磨檫、热机、致冷机、低温获得……物质各态及相互转化过程中,热运动也非常普遍。具体的研究对象:(热力学)系统,特定的物体,可以是气体、固体、液体,以后主要指的是(容器中的)气体。 研究方法(1) 微观的研究。物体中有大量的微观粒子(分子、离子…),日常用的数量单位都不便,改用1摩尔为单位。1摩尔单位中的粒子数,阿夫加德罗常数。 NA=6.023×1023/molM=NAm0 (摩尔质量μ )υ=m/M(摩尔数) 除了大量粒子数外,热运动的另一个特点是,无规。(由运动相互碰撞产生)理论上,用计算机求解?可行否?必要否?因为量变→质变。热运动不再是机械运动,是一种更高级别的基本运动形式。 (即除力学规律外,还需满足其他规律,如统计规律。)我们将在以后看到,大量的自然现象与热运动有关,服从更高的规律。即有些仅仅满足力学规律的运动,从来没有实际出现过。 (2) 宏观的研究。大量无规的粒子的运动在宏观上也会有所表现,使系统的宏观参量产生变化,如体积、压强、温度、能量……若我们仅仅在力学,热学两个方面关注这些宏观量的变化关系,通过理论、实验找出它们之间的规律,热力学内容。 k=R/NA=1.38x10-23J/K玻尔兹曼常数。n分子数密度。 借助宏观、微观概念,我们可以将 称“宏观”形式,∵ R带有“宏观”性质。 称“微观”形式,∵ k带有“微观”性质。 例: 长金属管L,下端封闭,上端开口,置于压强PO的大气中,今在封闭端加热达1000K,开口端达200K,设温度沿管长均匀变化。现封闭开口端,并使管子冷却到T1=100K,计算这时管内的压强。(不计管的膨胀) 未态是平衡态,初态是稳定态,不能直接应用状态方程,但初态时dV体积的气体,可认为是平衡态。设金属管长L,截面积S。对y处dV气体,初态时其温度为T(y)=200+800y/L * * * 气体分子动理论 平衡态 热运动的描述 理想气体的状态方程 系统(容器中的气体),不受外界影响,经过一段时间,系统处在平衡状态(平衡态),特征:(1)系统的状态量空间均匀且不随时间变化。(2)微观上,气体分子仍在运动。“动”平衡态。非平衡态,系统的状态量随时间变化,气体的扩散、爆炸…… 平衡态 稳定态时,系统的状态量不变化,但是在外界的影响下,空间非均匀分布。(微小的局部,可以视为平衡态。一定要有这种概念,基本要求。)如:在外界的影响下,容器上下两端有恒定温度差的系统。 若系统只受恒定的外界作用,长时间后,气体系统的宏观特性也不随时间变换, 稳定态。 物态参量 描述平衡态的参量称为物态参量或态参量。 如 体积、压强、温度等。 物质有各种状态,气体较简单,分子之间相互作用弱,进一步简化为理想气体,非常稀薄,无相互作用,理想气体的模型。 (以后不加说明,都指理想气体系统。) 系统状态的描述,研究问题的出发点。 (类似质点运动学中,质点位置的描述) 物态方程 1标准大气压(1atm)=1.103 10 Pa 热力学温度 =(摄氏温度t +273.15) 注 气体的压强 单位: 帕 气体的体积 单位: 立方米 热力学温度 单位: 开 气体的质量 单位: 千克 气体的摩尔质量 单位: 摩尔 mol 千克 一、状态参量 物态方程 状态参量之间所满足的关系式称为状态方程 二、理想气体的状态方程: 8.31 J mol K 气体常数 对一定量(mol)的理想气体: 三者只要给定 两个,就确定了一个平衡态 图中的一点 代表一个平衡态 另一种形式 等温气压公式分析: P-dP h+dh P h 在高度h的dv体积中, 压力计:270c, 1atm到0.8atm,2000m高度。 0 y 200k 1000k 解: 初、未态的气体总质量m相同。
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