热学-第二章气体分子运动论的基本概念.ppt
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1、第二章 气体分子运动论的基本概念2.1物质的微观模型 2.2理想气体的压强2.3温度的微观解释2.4分子间相互作用力2.5范德瓦耳斯气体的压强,宏观物体都是由大量不停息地运动着的、彼此有相互作用的分子或原子组成.,利用扫描隧道显微镜技术把一个个原子按照人们的意志排列-原子操纵.,现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大小以及它们在物体中的排列情况,例如 X 光分析仪,电子显微镜,扫描隧道显微镜等.,对于由大量分子组成的热力学系统从微观上加以研究时,必须用统计的方法.,1、宏观物体由大量原子或分子构成,原子或分子之间有空隙。大量=以摩尔为计量单位:6.021023分子数密度通常条件下(室温,1a
2、tm):气态N2n=2.5 1019cm-3液态 H2On=3.3 1022cm-3固态 Cun=8.4 1022cm-3固体和液体的分子数密度比气体高34个数量级!,2.1 物质的微观模型,2、分子是不连续的,分子间存在间隙。任何物体均可以被压缩:日常生活中的打气筒;钢瓶中的压缩气体,固体有10-6的压缩率;2GPa的高压下,钢壁可以渗油;不同液体混合后,总体积小于二者体积之和;直接的观察证据:高分辨原子像,2.1 物质的微观模型,分子作永不停息的无规则热运动,运动的剧烈程度与物体的温度有关。扩散现象:气态-不同比重的气体克服重力扩散液态-墨水滴入清水中固态-抛光的金属界面相互挤压后会发生界
3、面扩散分子的运动形态:布朗运动分子热运动:一切热现象都是大量分子无规则热运动的宏观表现。,2.1 物质的微观模型,4、分子间有相互作用力铅球实验:分子间存在相互吸引力固体和液体可以保持一定的体积而无法无限压缩:分子间还存在相互排斥力气-液-固三态转变的微观解释:分子间相互吸引力与分子热运动的相互竞争,2.1 物质的微观模型,物质的微观模型:一切宏观物体都是由大量分子组成的;所有的分子都处于永不停息的无规则热运动中;分子间存在相互作用力,趋于使分子聚集在一起形成规则的有序排列;而分子的无规则热运动倾向于破坏这种有序排列,使分子分散开来,充满整个空间。,2.1 物质的微观模型,2.2 理想气体的压
4、强一、理想气体的微观模型实验基础:1、气体很容易被压缩2、气体分子可以到达它所能到达的任何空间。3、平衡态下,气体的温度和压强都不随时间改变。,分子本身的线度与分子之间的距离相比可忽略不计,视分子为没有体积的质点。洛喜密脱常量no:标准状态下理想气体的分子数密度。标准状态下分子间平均距离:立方体+质点液氮:分子直径,一:理想气体的微观模型:,除碰撞瞬间外,分子之间及分子与器壁之间的相互作用力可以忽略不计,不计分子所受的重力,分子做自由匀速直线运动。分子之间及分子与器壁之间作完全弹性碰撞-动量守恒+动能守恒:没有能量损失,气体分子的动能不因碰撞而损失。注:虽然理想气体是一种理想模型,但在常温和几
5、个大气压下,一般认为可以满足上述三个条件。,一:理想气体的微观模型:,容器内各处的气体分子数密度均相同分子沿任一方向的运动不比其他方向的运动占有优势 由此可知,分子的速度在各方向分量的各种平均值是相等的,二:平衡态下的统计假设,例如:,注意:,三、理想气体压强公式,1、压强的产生,单个分子碰撞器壁的作用力是不连续的、偶然的、不均匀的。大量分子从总的效果上来看,产生一个持续的平均作用力。,单个分子,多个分子,平均效果,密集雨点对雨伞的冲击力,大量气体分子对器壁持续不断的碰撞产生压力,从微观上看,气体的压强等于大量分子在单位时间内施加在单位面积器壁上的平均冲量。有,dI为大量分子在dt时间内施加在
6、器壁dA面上的平均冲量。,设在体积为V的容器中储有N个质量为m的分子组成的理想气体。平衡态下,若忽略重力影响,则分子在容器中按位置的分布是均匀的。分子数密度为n=N/V.,2、压强的微观实质,结论:,理想气体压强公式的推导,1、一个分子在一次碰撞中对dA的作用,2、dt 时间内所有分子施于dA的总冲量 dIdt内能与dA相碰,分子速度为 的分子数为(2)dt内能与dA相碰,分子速度为 的分子施于dA 的冲量,(3)dt内能与dA相碰的所有分子施于dA总冲量dI(4)等几率假设平衡态下,分子向各个方向运动的几率均等。,3、压强(1)对所有气体分子速度的统计平均值:,(2)等几率假设:平衡态下,气
7、体各向同性,向各个方向运动的几率相同,三、讨论 3、是统计规律,不是力学规律,这个公式是无法用实验证明的,p是宏观可测的压强,n和 都是微观量的统计平均值,无法测量。这说明了宏观量的微观本质宏观量是相应的微观量的统计平均值!它不仅对压强是这样,我们以后会看到其他的热力学宏观量也是这样。正因为如此,我们在定义压强时都必须强调是统计平均值,所以压强公式不是一个力学规律而是统计规律。由这个基本公式可以满意的解释和推证许多实验定律。,一容积为 V=1.0m3 的容器内装有 N1=1.01024 个 氧分子N2=3.01024 个氮分子的混合气体,混合气体的压强 p=2.58104 Pa。,(1)由压强
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