大學(xué)物理電子教案

第6章氣體分子運(yùn)動論

掃描隧道顯微鏡（STM）第6章氣體分子運(yùn)動論掃描隧道顯微鏡（STM）一.熱學(xué)的研究對象熱現(xiàn)象熱學(xué)物體與溫度有關(guān)的物理性質(zhì)及狀態(tài)的變化研究熱現(xiàn)象的理論熱力學(xué)從能量轉(zhuǎn)換的觀點研究物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)和其宏觀規(guī)律宏觀量二.熱學(xué)的研究方法微觀量描述宏觀物體特性的物理量；如溫度、壓強(qiáng)、體積、熱容量、密度、熵等。描述微觀粒子特征的物理量；如質(zhì)量、速度、能量、動量等。一.熱學(xué)的研究對象熱現(xiàn)象熱學(xué)物體與溫度有關(guān)的物理性質(zhì)微觀粒子觀察和實驗出發(fā)點熱力學(xué)驗證統(tǒng)計物理學(xué)，統(tǒng)計物理學(xué)揭示熱力學(xué)本質(zhì)二者關(guān)系無法自我驗證不深刻缺點揭露本質(zhì)普遍，可靠優(yōu)點統(tǒng)計平均方法力學(xué)規(guī)律總結(jié)歸納邏輯推理方法微觀量宏觀量物理量熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象研究對象微觀理論（統(tǒng)計物理學(xué)）宏觀理論（熱力學(xué)）微觀粒子觀察和實驗出發(fā)點熱力學(xué)驗證統(tǒng)計物理學(xué)，統(tǒng)計物理學(xué)§6-1

平衡態(tài)理想氣體的狀態(tài)方程一.系統(tǒng)和外界熱力學(xué)系統(tǒng)由大量粒子組成的宏觀物體或物體系。外界系統(tǒng)以外的物體系統(tǒng)與外界可以有相互作用例如：熱傳遞、質(zhì)量交換等系統(tǒng)????系統(tǒng)的分類開放系統(tǒng)系統(tǒng)與外界之間，既有物質(zhì)交換，又有能量交換。封閉系統(tǒng)孤立系統(tǒng)系統(tǒng)與外界之間，沒有物質(zhì)交換，只有能量交換。系統(tǒng)與外界之間，既無物質(zhì)交換，又無能量交換?！?-1平衡態(tài)理想氣體的狀態(tài)方程一.系統(tǒng)和外界二.氣體的狀態(tài)參量溫度(T)體積(V)壓強(qiáng)(p)氣體分子可能到達(dá)的整個空間的體積大量分子與器壁及分子之間不斷碰撞而產(chǎn)生的宏觀效果大量分子熱運(yùn)動的劇烈程度溫標(biāo)：溫度的數(shù)值表示方法國際上規(guī)定水的三相點溫度為273.16K在沒有外界影響的情況下，系統(tǒng)各部分的宏觀性質(zhì)在長時間內(nèi)不發(fā)生變化的狀態(tài)。三.平衡態(tài)二.氣體的狀態(tài)參量溫度(T)體積(V)壓強(qiáng)(p)氣體分子可能說明(1)不受外界影響是指系統(tǒng)與外界不通過作功或傳熱的方式交換能量，但可以處于均勻的外力場中；如：兩頭處于冰水、沸水中的金屬棒是一種穩(wěn)定態(tài)，而不是平衡態(tài)；處于重力場中氣體系統(tǒng)的粒子數(shù)密度隨高度變化，但它是平衡態(tài)。低溫T2高溫T1(2)平衡是熱動平衡(3)平衡態(tài)的氣體系統(tǒng)宏觀量可用一組確定的值(p,V,T)表示(4)平衡態(tài)是一種理想狀態(tài)說明(1)不受外界影響是指系統(tǒng)與外界不通過作功或傳熱的方式四.理想氣體的狀態(tài)方程氣體的狀態(tài)方程(3)混合理想氣體的狀態(tài)方程為其中理想氣體的狀態(tài)方程(1)理想氣體的宏觀定義：在任何條件下都嚴(yán)格遵守克拉珀龍方程的氣體；(2)實際氣體在壓強(qiáng)不太高，溫度不太低的條件下，可當(dāng)作理想氣體處理。且溫度越高、壓強(qiáng)越低，精確度越高.說明（克拉珀龍方程）四.理想氣體的狀態(tài)方程氣體的狀態(tài)方程(3)混合理想氣體的狀一柴油的汽缸容積為0.827×10-3m3

。壓縮前汽缸的空氣溫度為320K，壓強(qiáng)為8.4×104Pa

，當(dāng)活塞急速推進(jìn)時可將空氣壓縮到原體積的1/17

，使壓強(qiáng)增大到4.2×106Pa。解T2>柴油的燃點若在這時將柴油噴入汽缸，柴油將立即燃燒，發(fā)生爆炸，推動活塞作功，這就是柴油機(jī)點火的原理。例求這時空氣的溫度一柴油的汽缸容積為0.827×10-3m3。壓縮前汽缸§6-2理想氣體的壓強(qiáng)公式一.理想氣體的微觀模型(1)不考慮分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并忽略其大小(2)分子力的作用距離很短，可以認(rèn)為氣體分子之間除了碰撞的一瞬間外，其相互作用力可忽略不計。(3)碰撞為完全彈性理想氣體分子好像是一個個沒有大小并且除碰撞瞬間外沒有相互作用的彈性球。二.平衡態(tài)氣體分子的統(tǒng)計性假設(shè)1.每個分子的運(yùn)動速度各不相同，且通過碰撞不斷發(fā)生變化§6-2理想氣體的壓強(qiáng)公式一.理想氣體的微觀模型(1)2.分子按位置的均勻分布（重力不計）

在忽略重力情況下，分子在各處出現(xiàn)的概率相同,容器內(nèi)各處的分子數(shù)密度相同3.分子速度按方向的分布均勻由于碰撞,分子向各方向運(yùn)動的概率相同，所以三.理想氣體的壓強(qiáng)公式氣體的壓強(qiáng)是由大量分子在和器壁碰撞中不斷給器壁以力的作用所引起的。例:雨點對傘的持續(xù)作用1.從氣體分子運(yùn)動看氣體壓強(qiáng)的形成2.分子按位置的均勻分布（重力不計）在忽略重力情況下，分2.理想氣體的壓強(qiáng)公式設(shè)體積為V的容器,內(nèi)貯分子總數(shù)為N，分子質(zhì)量為μ，分子數(shù)密度n

的平衡態(tài)理想氣體速度為的分子數(shù)為,分子數(shù)密度為在dt時間內(nèi)，速度為vi

的分子與面元dA碰撞的分子數(shù)為

zy··yzxO2.理想氣體的壓強(qiáng)公式設(shè)體積為V的容器,速度為在dt

時間內(nèi)，與面元dA碰撞的所有分子所受的沖量dI為由壓強(qiáng)定義得··(1)壓強(qiáng)

p

是一個統(tǒng)計平均量。它反映的是宏觀量

p和微觀量的關(guān)系。對大量分子，壓強(qiáng)才有意義。說明(2)壓強(qiáng)公式無法用實驗直接驗證在dt時間內(nèi)，與面元dA碰撞的所有分子所受的沖量dI為一容積為V=1.0m3的容器內(nèi)裝有N1=1.0×1024

個氧分子N2=3.0×1024

個氮分子的混合氣體，混合氣體的壓強(qiáng)

p=2.58×104Pa。

(1)由壓強(qiáng)公式,有例求(1)分子的平均平動動能；(2)混合氣體的溫度解(2)由理想氣體的狀態(tài)方程得一容積為V=1.0m3的容器內(nèi)裝有N1=1.0×10§6-3

氣體分子的平均平動動能與溫度的關(guān)系一.理想氣體的溫度理想氣體分子的平均平動動能為每個分子平均平動動能只與溫度有關(guān)，與氣體的種類無關(guān)。說明(1)溫度是大量分子熱運(yùn)動平均平動動能的度量.它反映了宏觀量T與微觀量ε的統(tǒng)計平均值之間的關(guān)系。(2)溫度是統(tǒng)計概念，是大量分子熱運(yùn)動的集體表現(xiàn)。對于單個或少數(shù)分子來說，溫度的概念就失去了意義?！?-3氣體分子的平均平動動能與溫度的關(guān)系一.理想氣體二.理想氣體定律的推證1.阿伏加德羅定律在相同的溫度和壓強(qiáng)下，各種氣體的分子數(shù)密度相等。2.道爾頓分壓定律設(shè)幾種氣體貯于一密閉容器中，并處于平衡態(tài)，且分子數(shù)密度分別為n1、n2

、n3…

，則混合氣體的分子數(shù)密度為二.理想氣體定律的推證1.阿伏加德羅定律在相同的溫度和壓溫度相同混合氣體的壓強(qiáng)為混合氣體的壓強(qiáng)等于各種氣體的分壓強(qiáng)之和。溫度相同混合氣體的壓強(qiáng)為混合氣體的壓強(qiáng)等于各種氣體的分壓強(qiáng)之有一容積為10cm3

的電子管，當(dāng)溫度為300K