真空技术基础-第二章气体分子运动论基本原理.ppt

第二章　气体分子运动论的基本原理 概 述 气体状态的基本参数 压力: 单位面积上受到的垂直作用力 (大量气体分子热运动对容器壁面作用力的宏观表现); 温度: 对物理冷热程度的表征 (分子热运动剧烈程度的宏观反映); 体积: 盛装气体容器的容积; 理想气体的压力 理想气体的压力 分压强与总压强-混合气体分压定律 气体分子的速率分布 气体分子进行无规则热运动的每一时刻，每个分子的运动速率有偶然性，对于大量气体分子而言，其速率分布遵循统计规律。 速率分布函数 用来描述气体分子速率分布规律的，表示速率v附近单位速率区间内分子数占总分子数的比率。 对于一定温度的特定气体，速率分布函数f(v)只是气体分子速率的函数。 若气体分子总数为N, 则当它们处于热平衡时，速率区间 v ~ v+dv，该速率区间内分子数 dNv，则 归一化条件： 气体分子的平均自由程 气体分子的平均自由程 气体分子的平均自由程 气体分子的平均自由程 气体分子的平均自由程 自由程长度分布律 自由程长度分布律 碰 撞 截 面 碰 撞 截 面 碰撞于表面的分子数 碰撞于表面的分子数 * 概述 气体的压强 分压强与总压强-混合气体分压定律 气体分子的速率分布-麦克斯韦分布 平均自由程及自由程长度分布率 碰撞截面及碰撞于表面分子数 分子从表面的反射-余弦定律 理想气体的基本假设 气体分子的体积 与其活动空间相比是微不足道的;在考虑分子的运动时,可以将分子看成几何点; 分子之间没有相互作用力;除了碰撞之外,每个分子是完全独立的,不受其它分子的影响; 理想气体状态方程 ---波义耳-马略特定律 ---盖吕萨克定律 ---查理定律 ---阿伏加德罗定律 器壁 假设分子为完全弹性刚体球,　其运动服从经典力学规律 设单位体积中的速度为vi的分子有ni个， 斜柱体中速度vi的分子：ni vixdS, 一个速度vi的分子对面dS的冲量：?(mv)=mvix-m(-vix)= 2mvix 单位时间内速度vi的分子对面dS的冲量： 2mvixnivixdS, 单位时间内dS面所受的总冲量 ： 根据统计平均值定义 所有气体分子的平均动能都相等，并且与绝对温度成正比 同一气体，条件完全不变，当气体温度T1与器壁温度T2不相等时 可见，对气体的现象起决定作用的是　n 例如．一个真空性能已稳定的电真空器件，其内部n是不变的，但p则随T而变． p－气体压强； n－气体分子密度； m－分子质量； v2－分子热运动均方速率； ?－分子密度； E－分子平均动能； k－玻尔兹曼常数； 　道尔顿分压定律 理想混合气体的总压强 p等于各个成分气体分压强pi(i=1,2,3,?,k)之和 。 所谓分压强，是指各个成分单独占有混合气体原有体积时的压强。 理想气体的压强是一个可加量。同种类气体的压强和不同种类气体的压强皆具有可加性； 混合气体分压定律与分子间的碰撞情况无关。就压强范围来说，有分子间相互碰撞为主的低真空情况，分子与墙壁碰撞为主的高真空情况，混合气体分压定律都成立； 真空测量的主要任务——对气体进行总压强或分压强测量。 气体分子的速率分布-麦克斯韦分布 气体分子的速率分布-麦克斯韦分布 麦克斯韦－玻耳兹曼速率分布函数 麦克斯韦速率分布率：麦克斯韦（Maxwell）、玻耳兹曼（Boltzmann）等从理论上得出气体分子速率分布的统计规律。 分布在速率区间v?v+dv内的分子数占总分子数的比率为： 则麦克斯韦速率分布函数 最可几速率 （与速率分布函数一阶导数为0时的速率相对应） 平均速率 方均根速率 气体分子的速率分布-麦克斯韦分布 三个速率 —不同侧面描述大量分子统计规律 T 升高，速率分布曲线向v大的方向移动； 平均运动速率 —取决于气体所具有的温度 选择作用：凡与热运动速率有关的现象，其结果对各种气体是不相同的 气体分子间的速率分布 分子在空间的分布是均匀的，分子运动的方向分布亦是均匀的---内在属性 气体分子间的速率分布---不因相互碰撞而改变； 分布函数的概念---速率在某一间隔中的分子数多少； 1.7 3.62 4.54 3.8 4.25 4.54 5.65 12.08 16.93 平均速率 ?102 m/s 200 44 28 40 32 28 18 4 2 分子质量 Hg CO2 CO Ar O2 N2 H2O He H2 气体 气体分子平均碰撞频率 碰撞频率：处于无规则热运动中的气体分子，彼此间不断碰撞，单位时间内气体分子的碰撞次数成为碰撞频率。 特定种类的气体分子的碰撞频率： ?与气体分子热运动的速率有关；?与气体的密度有关； 平均碰撞频率：反映大量分子间的碰撞情况； 单个气体分子在单位时间内的碰撞