大学物理课件气体分子运动论.ppt

大学物理,张国华,公共邮箱：密码：xinxi2010,说 明,1.最终成绩评定办法：期中考试成绩占 10%；平时作业成绩占 10%堂出勤情况占 5%；期末卷面成绩占 75%。,2.教材和参考书：,张三慧 编著 大学物理学(第三版 B版),热学（第17-19章）,振动、波动（第2021章）,量子物理,本学期主讲内容:,（第2629章）,狭义相对论（第 6 章）,吕金钟主编大学物理辅导（第二版）,光学（第2224章）,大学物理习题集（助教网专用）,4.答疑：,地点：理化楼135 第2周 第16周,3.作业：每周二交，统一用作业纸 助教网：。,5.公共邮箱：密码：xinxi2010,6.竞赛：校内竞赛在下学期进行。,考试内容为上册书的所有内容。题型与期末试卷类似。,时间：周二、五 中午11:3013:00,关于注册助教网完成作业的说明,1、登陆助教网：，用自己的用户和密码进入2、点“申请成为学生”3、输入班级，“张国华12春-1”(测控11011102、智能11、自1105)或“张国华12春-2”(电信11、计11011102、物联11)4、为防止错误，可以查看班级具体情况，确定没有错5、按照提示，一步步进行，直至完成6、在一周内完成，否则影响网上提交作业。7、每周的“大学物理习题集”的作业必须在每周周一晚11点前在网上成功提交，否则就缺交一次作业,如果忘了如何使用，可到助教网下载助教网学生使用手册,热 学（17-19 章）,一、热学的研究对象：,高温退磁。,热胀冷缩、,相变、,1、热学,1)热力学系统：,大量分子或原子组成的系统,2)外界：,热力学系统以外的物体,研究物体的 热现象 及其规律的科学,2、热学的研究对象,宏观法与微观法相辅相成。,二、热学的研究方法：,1.宏观法.,热力学,2.微观法.,统计力学,气体分子运动论（初级理论）,温度和气体动理论,第17章,17-1 热运动的描述 理想气体模型和状态方程,一、热力学系统状态的描述,1、宏观量,如：质量、速度 等,描述微观粒子的物理量,2、微观量,整体上描述,可直接测量,如：温度、体积、压强 等,状态参量,1、温度的定义,A、B 两体系各自达到平衡态,两体系达到共同的热平衡状态,热平衡,热平衡时，两体系有共同的宏观性质 温度,二、温度的概念,例如,设 A 和 B、B 和 C 分别热平衡，则 A 和 C 一定热平衡。,热平衡时，TA=TB；,B A，A 改变很小,热力学第零定律,2、温度的测量,3、温标,1)华氏温标：1714年荷兰华伦海特建立，以水结冰的温 度为32F，水沸腾的温度为212F,2)摄氏温标：1742年瑞典天文学家摄尔修斯建立，以冰 的熔点定为0C，水的沸点定为100C，,3)热力学温标：英国的开尔文建立的与工作物质无关的 温标与摄氏温度的关系为,单位为开(K)，称为热力学温度.,温度的数值表示方法。,在不受外界影响的条件下，系统的宏观性质不随时间改变的状态,三、平衡态和准静态过程,1、平衡态,2)平衡条件：,系统与外界在宏观上无能量和物质的交换,系统的宏观性质不随时间改变。,1)平衡态是一个理想化模型,说明,3)动态平衡,宏观量 不随时间改变。,微观上,无规则的热运动,2、准静态过程,过程:,系统状态发生变化,称系统经历了一个过程,准静态过程:,每一时刻的状态都近似是平衡态的过程,非准静态过程:,每一时刻的状态都不是平衡态的过程,2）方程只适用于平衡态。,说明：,1）P、V、T 只有两个独立,四、理想气体的状态方程,1、理想气体的状态方程,3）理想气体方程的其它表达形式,玻尔兹曼恒量 k,n=N/V分子数密度,常见准静态过程:,热力学系统的状态可以用p-v 图(p-T图、V-T图)进行描述,过程方程,2、理想气体的状态图,热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现,1、热运动：,一、分子热运动的图像,17-2分子热运动和统计规律,永不停息的无规则运动。,2、布朗运动,某个分子的运动，是杂乱无章的，无序的；各个分子之间的运动也不相同，即无序性；,二、分子热运动的基本特征,从大量分子的整体的角度看，存在一定的统计规律,例如：,平衡态下，气体分子的空间分布（密度）是均匀的,1.无序性,热运动与机械运动的本质区别,2.统计性,可作假设：,气体分子向各个方向运动的机会均等,例.,1.什么是统计规律性,大量偶然事件表现出来的一种整体规律性,扔硬币,2.统计规律的几个特点:,（1）只对大量偶然事件才有意义.,（2）它是不同于个体规律的整体规律,（3）总是伴随着涨落.,三、统计规律,3.平衡态时，理想气体的统计假设：,（2）大量分子,（1）单个分子,速度是随机的,速度按方向的分布是各向均匀的,连续两次碰撞之间所走过的路程,自由路程的平均值。,与其它分子碰撞的平均次数。,一秒钟内一个分子,四、分子碰撞及自由程：,设其它分子都不动,二、平均碰撞频率的计算：,有效直径 d,凡是分子中心位于管内的分子都将与 A 分子进行碰撞,平均碰撞频率,考虑到其它分子都在运动，上述公式修正为：,对空气分子 d 3.5 10-10 m,标准状态下：,平均自由程为：,几十亿次碰撞,说明,解题步骤：,气体容器限度 l,1.分子数密度 n,2.平均自由程,=10-2m,1.力学假设：（1）忽略分子的大小（2）不计分子间的作用力；（3）分子间的碰撞是完全弹性的；（4）单个分子遵守牛顿定律。,2.统计假设:,17-3 气体动理论的压强公式,一、理想气体微观模型,1、i 分子碰一次撞器壁所获得 的动量增量,2、单位时间的碰撞次数:,1秒钟给予器壁的冲量=,i 分子给器壁的冲力,二、压强公式的推导,i 分子给予器壁的冲力:,4、N 个分子给予器壁的压强,（n：分子数密度）,3、N 个分子的平均冲力：,分子热运动平均平动动能,由统计假设：,结论：,压强公式：,1.宏观量 P,2.压强的微观本质：,大量分子对单位面积器壁的平均冲力,说明：,3.记住,1、温度公式,三、温度的本质和统计意义,比较这两式得：,压强公式：,温度（宏观量）是分子热运动平均平动动能 大小的量度。,2、温度的统计意义,方均根速率:,四、方均根速率:,分子平均平动动能,1.质点的自由度,一、自由度,17-4 能均分定理 理想气体的内能,2.细杆的自由度,3个,确定一物体在空间位置所需之独立坐标数。,1）刚性细杆,质心,3个,平动自由度,转动,2个,转动自由度,5个,火车：被限制在一曲线上运动，自由度为1；,飞机：自由度为3（经度、纬度、高度）,轮船：被限制在一曲面上 运动，自由度为2，（经度、纬度）,2）非刚性细杆,质心,3个,平动自由度,转动,2个,转动自由度,6个,振动,1个,振动自由度,3.刚体的自由度,质心,3个,平动自由度,转动,3个,转动自由度,6个,1.刚性分子的自由度,二、分子的自由度,1）单原子分子,2）双原子分子,3）三原子 多原子 分子,i=3,i=5,i=6,2.非刚性分子的自由度,1）单原子分子,2）双原子分子,3）三原子分子,i=3,i=6,i=9,三、能量按自由度均分原理,1.推导：,而且：,由于：,能量按自由度均分,处于平衡态的气体分子每一自由度所分得的平均动能都为,2.能量按自由度均分原理,四、理想气体的内能,1、理想气体内能：系统中所有分子热运动动能之总和。（不包括分子间相互作用的能量）,设平动自由度 t，,总自由度 i:,2.刚性理想气体分子的内能：,一个分子平均总动能：,理想气体内能,转动自由度 r,刚性双原子分子,单原子分子,刚性多原子分子,理想的内能：,3.讨论：,理想气体：,E=E(T),2).在实际上当,量子力学可以证明，,仍有零点能存在。,1).内能 是气体状态的单值函数,例题：三个容器分别装有1mol氦气、1mol氢气和1mol氨气。将他们均视为刚性理想气体分子。若它们温度都升高1K，则三种气体的内能增加值分别为多少？,解：,作业,课后习题P41：,17.17,助教网习题集P41-44：,238,239,241-244,246,263,264,