大学物理理想气体的状态方程与内能.ppt
大学物理多媒体电子教案,主讲教师 杨 鑫,辽宁工大基础教学部物理教研室,第 三 篇,热 学,统计物理学,热力学,从微观结构出发,以实验事实为基础,从能量观点出发,用归纳和分析方法,总结出自然界 与热现象有关的 一些基本规律,以每个分子遵循力学规律为基础,运用统计方法,揭示热现象的微观本质,演示：内燃机,演示：无规则运动,找出宏观量和相应的微观量平均值之间的关系,从宏观上研究 热运动的过程以及过程进行的方向,热学,研究与热现象有关规律的学科,演示：卫星回收,演示：电冰箱,玻耳兹曼,气体动理论,第7章,麦克斯韦,7.1 理想气体的状态方程与内能,教学基本内容,二、理想气体的状态方程,三、压强和温度的微观解释,一、热力学平衡态,四、理想气体的内能,一、热力学平衡态,1.平衡态,(1)热力学系统,系 统,孤立系统,封闭系统,开放系统,有能量交换,有物质交换,无能量交换,无物质交换,有能量交换,无物质交换,所研究的物体或物体系,(气体分子),处于系统以外的物质,外界,描述系统中每个做热运动的微观粒子的物理量,描述系统整体表现物理量,宏观量,微观量,(2),质量,速度,位置,演示：分子运动,一个平衡态,另一平衡态,一系列中间状态,状态变化过程,无限接近平衡态,准静态过程,(平衡过程),(热力学过程),(3)平衡态,在没有外界影响的条件下,热动平衡,系统的宏观性质,不随时间改变 的状态,演示：平衡态,2.状态参量,(2)压强,气体作用在器壁,单位,(1)体积,气 体 分 子 所 能达到的空间,单位,帕斯卡,(Pa),m3,单 位 面 积,上的正压力,演示：平衡态,演示：分子运动,热力学温标,(3)温度,摄氏温标,表示物体的冷热程度,（K）,温标,准静态过程,演示：准静态过程,单位,在P-V 图上,一条曲线,1.理想气体,在任何情况下都绝对遵守“三大实验定律”的气体,真实气体,玻意耳-马略特定律,查理定律,盖-吕萨克定律,等温过程,等体过程,等压过程,温度不太低,压强不太高,理想气体,二、理想气体的状态方程,气体比较稀薄,2.理想气体的状态方程,(1)气体质量一定,常 量,(2)用分子数密度n表示,分子数密度,玻尔兹曼常数,(3)混合气体的压强,三、压强和温度的微观解释,分 子 间 的 碰 撞 是 完全弹性碰撞,1.理想气体微观模型及统计假设,分子可视为质点,除碰撞外，分子力不计,返15,弹性的自由运动的质点,在两次碰撞间，分子作 匀速直线运动,(1)微观模型,演示：分子运动,演示：分子作用力,自由运动,气体分子的运动遵从牛顿运动定律,各个方向上速率的各种平均值相等,沿各个方向运动的分子数密度相同,返18,(2)统计假设,演示：分子运动,2.压强公式,计算与x轴垂直的A1面的压强,分子a动量的增量,A1面给分子a的冲量,返13,分子a给A1面的冲量,演示：分子运动,分子a连续两次与A1面碰撞的时间间隔,单位时间内，分子a对A1面的碰撞次数,单 位 时 间 内，分子a对A1面的冲量,单位时间内,分子a对A1面的 平均作用力,单位时间内，所有分子对A1面的平均作用力,返14,分子的平均平动动能,气体作用于器壁的压强,大量气体分子,正比,单位体积内的分子数,分子的平均平动动能,压强微观意义,在单位时间内,施于器壁,单位面积,平均冲量,温度是气体分子平均平动动能的量度,3.温度的微观本质,(1)温度公式,(2)气体分子的方均根速率,气体分子的方均根速率,与气体热力学温度的平方根成正比,与气体的摩尔质量的平方根成反比,四、理想气体的内能,1.自由度,确定一个物体在空间位置,气体分子,只有平动、转动,刚性气体分子,双原子分子,多原子分子,单原子分子,如：He、Ne等,如：H2、O2等,如：H2O、NH3等,分子内原 子间距离保持不变,(结构),所需要的独立坐标数目,没有原子间的振动,(2)双原子分子,平动,转动,(3)三原子以上多原子分子,平动,转动,(1)单原子分子,平动,演示：质点自由度,演示:刚体自由度,2.能量均分原理,气体分子的平均 平动动能,平均地分配在每一个平动自由度上,每个平动自由度的平动动能是,在温度为T的平 衡态下,分子的平均平动动能,(1)内容,分子的 任何一个自由度,平均动能都相等,分子的平均转动动能,(2)分子各种动能的计算,分子平均 动能,分子的总 动能,内能,所有分子热运动动能的总和,(1)分子的 平均动能,(2)一摩尔理想气体内能,(3)一定量理想气体的内能,3.理想气体,理想气体的内能,(4)内能的增量,只是温度的单值函数,内能增量,与过程无关,只与始末状态有关,例题7.11,一个平衡态,另一平衡态,一系列中间状态,状态变化过程,无限接近平衡态,准静态过程,(平衡过程),(热力学过程),1.平衡态,在没有外界影响的条件下,热动平衡,系统的宏观性质,不随时间改变 的状态,一、理想气体的状态方程,内容小结,2.状态参量,(1)压强,(2)体积,帕斯卡,(Pa),m3,(3)温度,(K),准静态过程,在P-V图上,一条曲线,沿各个方向运动的分子数相同,3.理想气体的分子模型与统计假设,(1)分子模型,弹性的自由运动的质点,各个方向上速率各种平均值相等,(2)统计假设,4.理想气体的状态方程,质量不变,(1)一个状态三个参量间关系,(2)二 个 状 态 三个参量间关系,(3)分子数密度表示,(5)混合气体的压强,(4)压强和温度与微观量统计平均值关系,双原子,转动,多原子,单原子,平动,二、理想气体的内能,1.自由度,自由度,原子类型,2.能量均分原理,在温度为T的平 衡态下,分子的 任何一个自由度,平均动能 都相等,分子的平均平动动能,分子的平均转动动能,3.分子各种动能的计算,分子平均 动能,分子的总 动能,4.理想气体的内能,
