2021-2022學(xué)年高二物理競賽課件：理想氣體壓強(qiáng)和溫度

1、1理想氣體壓強(qiáng)和溫度一、理想氣體的壓強(qiáng) 二、熱力學(xué)第零定律 溫度的定義 溫度的測量三、溫度的微觀解釋2一、理想氣體的壓強(qiáng)A. 平衡態(tài)下氣體分子運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)性假設(shè)：分子速度因分子間的碰撞而極度雜亂，出現(xiàn)各種速度的概率都存在分子沿各個(gè)方向運(yùn)動的概率相同， （分子速度按方向成均勻分布）分子各速度分量的各種平均值相等因此沿各個(gè)方向運(yùn)動的分子數(shù)相同， （向前后上下左右運(yùn)動的分子數(shù)各占1/6）例如：3分子在容器內(nèi)各點(diǎn)出現(xiàn)的概率相同，即分子按位 置成均勻分布），因此分子數(shù)密度處處相同顯然，這些統(tǒng)計(jì)性假設(shè)只有在平衡態(tài)下對大量氣體分子取平均的意義上才是正確的。B. 氣體壓力的微觀解釋：在容器內(nèi)作熱運(yùn)動的氣體分子，

2、不斷與器壁相碰，就某一個(gè)氣體分子而言， 他碰撞器壁是斷續(xù)的，每次碰在何處和給器壁多少沖量都是偶然的； 但大量分子頻繁碰撞器壁的綜合作用，在宏觀上就表現(xiàn)為對器壁施加持續(xù)恒定的壓力。因此，器壁所受氣體壓力等于單位時(shí)間內(nèi)氣體分子碰壁時(shí)給與器壁的平均沖量4設(shè)體積為V 的容器，邊長 l1 , l2, l3 壓強(qiáng)是單位面積上的壓力，等于大量分子在單位時(shí)間內(nèi)施加在單位面積器壁上的平均沖量。vimivizxyS1S2l1l2l3容器中任意的第 i 個(gè)分子 速度為 它與器壁S1完全彈性碰撞后速度為 C. 理想氣體的壓強(qiáng)公式平衡態(tài)下，分子在容器中按位置的分布是均勻的。單位體積內(nèi)的分子數(shù)為： n=N/V.內(nèi)有N個(gè)質(zhì)

3、量為m 的分子平衡態(tài)下，分子對各處器壁的碰撞是等同的?？紤]S1壁（垂直于x 軸）受分子撞擊產(chǎn)生的壓強(qiáng)5分子 i 在 x 方向上連續(xù)兩次碰撞S1 面所需的時(shí)間 2l1 /vix 單位時(shí)間內(nèi)容器內(nèi)所有分子對器壁S1的總沖量，即器壁S1所受的平均沖力分子 i 碰壁一次動量改變量 -2mvix壁S1 受分子 i 的沖量 2mvix在單位時(shí)間內(nèi)，分子i 與S1 面的碰撞次數(shù) vix /(2l1) 在單位時(shí)間內(nèi)，第 i 個(gè)分子施于S1 面的總沖量 2m vix2 /2l1 系統(tǒng)中分子速度 x 分量的平方的平均值 單位時(shí)間內(nèi)，所有分子施與S1面的壓強(qiáng)為 ： zxyS1S2l1l2l36將統(tǒng)計(jì)假設(shè) 2 中的代

4、入得： 引入分子的平均平動動能，將其定義為分子的質(zhì)量與系統(tǒng)中分子速率平方的平均值的乘積之半將兩式聯(lián)立式得 該式用微觀量分子平動動能的平均值量度了系統(tǒng)的宏觀量壓強(qiáng)。說明了氣體壓強(qiáng)微觀本質(zhì)是大量分子對容器器壁無規(guī)則劇烈碰撞的平均結(jié)果。 氣體壓強(qiáng)公式 當(dāng)處于一定平衡態(tài)的兩個(gè)系統(tǒng)A和B相互接觸時(shí)，它們之間若發(fā)生熱量的傳遞，稱這兩個(gè)系統(tǒng)發(fā)生了熱接觸。 二、熱力學(xué)第零定律 經(jīng)過一定時(shí)間后，兩個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)不再變化并達(dá)到一個(gè)共同的穩(wěn)定狀態(tài)，就說這兩個(gè)系統(tǒng)彼此處于熱平衡。實(shí)驗(yàn):ABC1.用絕熱壁將處于不同平衡態(tài)的兩物體A和B隔開,然后讓A和B同時(shí)與物體C進(jìn)行熱接觸。ABC2.經(jīng)過一定時(shí)間后，若使系統(tǒng)A與B發(fā)生熱

5、接觸，這兩個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)都不會發(fā)生任何變化。 說明系統(tǒng)A與系統(tǒng)B已經(jīng)達(dá)到了熱平衡。熱力學(xué)第零定律： 如果系統(tǒng)A和系統(tǒng)B同時(shí)與第三個(gè)系統(tǒng)C處于熱平衡，則A、B之間也必定處于熱平衡。8一切互為熱平衡的系統(tǒng)，必定具有相同的溫度。 溫度的定義 處于平衡態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)存在一個(gè)狀態(tài)函數(shù)。對于彼此達(dá)成熱平衡的系統(tǒng)來說,該函數(shù)的數(shù)值相等。 定性地說，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)熱接觸時(shí)，各系統(tǒng)的狀態(tài)參量將發(fā)生變化，直至兩系統(tǒng)彼此達(dá)到熱平衡而具有某一共同物理性質(zhì)（冷熱程度）為止。溫度：表征達(dá)成平衡的諸熱力學(xué)系統(tǒng)的共同性質(zhì)的物理量。 它是定義溫度的理論基礎(chǔ)； 它為設(shè)計(jì)溫度計(jì)和科學(xué)計(jì)量溫度提供了理論依據(jù)。熱力學(xué)第零定律的重要意義： 溫

6、度的測量(比較) 不需要兩物體直接進(jìn)行熱接觸，只需取熱容量較小的第三個(gè)物體作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，讓它分別與兩個(gè)待測物體進(jìn)行熱接觸。溫度計(jì) 9比較 p = nkT 和 由理想氣體的狀態(tài)方程： pV=MRT/ 若分子總數(shù)為 N，M=Nm ; =NAm 則有： pV=NRT/NA 三、溫度的微觀解釋定義玻耳茲曼常數(shù): k = R/NA =1.3810-23JK-1 則 pV = NkT 或: p = nkT得平均平動動能: 理想氣體分子的平均平動能 唯一地取決于系統(tǒng)溫度T 并與T 成正比，與 m 無關(guān)。溫度是氣體內(nèi)部分子熱運(yùn)動強(qiáng)弱程度的標(biāo)志。10實(shí)際氣體只是在溫度不太低、壓強(qiáng)不太高的情況下, 才接近于理想氣

7、體的行為。3. 熱力學(xué)零度只能無限趨近而不可能完全達(dá)到。 幾點(diǎn)討論：根據(jù) 當(dāng)氣體系統(tǒng)的溫度達(dá)到絕對零度時(shí)，T 0 分子平均平動動能等于零, 熱運(yùn)動停止？ 溫度很低時(shí)，實(shí)際氣體會凝結(jié)成液體甚至固體，由用理想氣體物態(tài)方程得到的結(jié)論，沒有實(shí)際意義。這一結(jié)論只是理想氣體模型的直接結(jié)果, 需要實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：絕對零度時(shí), 晶體點(diǎn)陣中的粒子仍具有零點(diǎn)能 所以“當(dāng)氣體的溫度達(dá)到絕對零度時(shí)，分子的熱運(yùn)動將會停止”的命題是不成立的。11由平均平動能:可以計(jì)算分子的方均根速率由上式可得到在同一溫度下，兩種不同氣體分子的方均根速率之比，即：上式表明，在相同溫度下，質(zhì)量較大的氣體分子，運(yùn)動速率較小，擴(kuò)散較慢，質(zhì)

8、量較小的分子，運(yùn)動速率較大，擴(kuò)散較快。12 例1：求在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1 m3的體積內(nèi)所包含的 氣體分子數(shù)目。 解：前面我們已經(jīng)得到，當(dāng)溫度和壓強(qiáng)一定時(shí)， 任何氣體單位體積內(nèi)所包含的分子數(shù)目都相等。將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的條件( p0 = 1.01325105 Pa，T0 = 273.15 K )代入上式，得n0通常稱為洛施密特常量。13 例2：試計(jì)算0下, N2, O2, H2氣體分子的方均根速率解： N2,O2,H2氣體分子的摩爾質(zhì)量分別為方均根速率14 例3：試計(jì)算下列氣體在大氣中的逃逸速率與方均根速率之比。H2(2), He(4),H2O(18), N2 (28), O2(32), Ar(40), CO2(44), 括弧內(nèi)是