高二物理競(jìng)賽熱學(xué)課件

熱學(xué)熱學(xué)研究?jī)?nèi)容——研究熱力學(xué)系統(tǒng)中的熱現(xiàn)象的規(guī)律及其物理本質(zhì)、實(shí)踐應(yīng)用。常見(jiàn)的一些現(xiàn)象：4、物體被加熱，物體的溫度升高。熱現(xiàn)象1、一壺水開(kāi)了，水變成了水蒸氣。2、機(jī)動(dòng)車(chē)汽缸中燃料燃燒。3、氣體被壓縮，產(chǎn)生壓強(qiáng)。

熱力學(xué)系統(tǒng)由大量粒子組成的宏觀物體或物體系。熱學(xué)熱力學(xué)分子動(dòng)理論從現(xiàn)象中找規(guī)律透過(guò)現(xiàn)象追本質(zhì)宏觀規(guī)律微觀機(jī)制觀察記錄分析總結(jié)建模統(tǒng)計(jì)理論驗(yàn)證宏觀微觀內(nèi)容分支A.熱學(xué)的宏觀理論(熱力學(xué))——第六章B.熱學(xué)的微觀理論(分子動(dòng)理論)——第五章由觀察實(shí)驗(yàn)總結(jié)歸納出有關(guān)熱現(xiàn)象的規(guī)律1）單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足力學(xué)規(guī)律2）大量分子的集體行為滿(mǎn)足統(tǒng)計(jì)規(guī)律3）系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)是大量微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均的結(jié)果。從微觀角度研究宏觀問(wèn)題的物理思想：第五章

氣體分子動(dòng)理論氣體分子動(dòng)理論是從物質(zhì)的微觀分子熱運(yùn)動(dòng)出發(fā)，去研究氣體熱現(xiàn)象的理論。微觀量：分子的質(zhì)量、速度、動(dòng)量、能量等。宏觀量：

溫度、壓強(qiáng)、體積等。在宏觀上不能直接進(jìn)行測(cè)量和觀察。在宏觀上能夠直接進(jìn)行測(cè)量和觀察。一、氣體狀態(tài)參量表征氣體有關(guān)特性的物理量1.體積V氣體分子所能達(dá)到的空間2.壓強(qiáng)p氣體垂直作用于器壁表面單位面積上的力＝容器容積單位：1atm=760mmHg=1.013×105Pa3.溫度T

描述物體冷熱程度的物理量熱力學(xué)溫標(biāo)T

：開(kāi)爾文（K）t=T–273.15攝氏溫標(biāo)t：攝氏度（℃）4.質(zhì)量（M）和摩爾質(zhì)量（

Mmol

）§5-1熱運(yùn)動(dòng)的描述理想氣體模型和狀態(tài)方程二、平衡態(tài)不受外界影響時(shí)，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。（3）可用確定的狀態(tài)參量來(lái)描述。注意（1）無(wú)外界影響是指沒(méi)有熱量的傳遞及外界對(duì)系統(tǒng)作功。（2）是一種熱動(dòng)平衡狀態(tài)。（4）是一個(gè)理想的狀態(tài)。沸水冰水氣體真空平衡態(tài)系統(tǒng)從某狀態(tài)開(kāi)始經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)到達(dá)另一狀態(tài)的過(guò)程。熱力學(xué)過(guò)程1221準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程三、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程在過(guò)程進(jìn)行的每一時(shí)刻，系統(tǒng)都無(wú)限地接近平衡態(tài)。非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程系統(tǒng)經(jīng)歷一系列非平衡態(tài)的過(guò)程實(shí)際過(guò)程是非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，但只要過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的馳豫時(shí)間，均可看作準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。如：實(shí)際汽缸的壓縮過(guò)程可看作準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程S說(shuō)明

(1)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是一個(gè)理想過(guò)程；(2)除一些進(jìn)行得極快的過(guò)程（如爆炸過(guò)程）外，大多數(shù)情況下都可以把實(shí)際過(guò)程看成是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程；四、理想氣體狀態(tài)方程1.理想氣體(1)理想氣體的宏觀定義在任何情況下都遵守玻-馬定律、蓋-呂定律、查理定律三大氣體定律的氣體.(2)理想氣體的微觀模型1、分子線(xiàn)度與分子間距相比較可忽略，分子被看作質(zhì)點(diǎn)。2、除了分子碰撞的瞬間外，忽略分子間的相互作用。3、氣體分子在運(yùn)動(dòng)中遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。4、分子與分子間，分子與器壁的碰撞均為彈性碰撞。實(shí)際氣體在壓強(qiáng)不太大、溫度不太低時(shí)更接近理想氣體。2.理想氣體狀態(tài)方程?！R定律PV=constant蓋—呂薩克定律V/T=constant查理定律P/T=constantT不變P不變V不變克拉伯龍方程3.理想氣體狀態(tài)圖:經(jīng)歷準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程（質(zhì)量不變）pVo等p過(guò)程等T

過(guò)程等V過(guò)程p–

V圖、p–

T圖、V–

T圖圖上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)平衡態(tài)；圖上的一條曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。例5-1某種柴油機(jī)的汽缸容積為0.82710-3m3。設(shè)壓縮前其中空氣的溫度47oC，壓強(qiáng)為8.5104Pa。當(dāng)活塞急劇上升時(shí)可把空氣壓縮到原體積的1/17，使壓強(qiáng)增加到4.2106Pa，求這時(shí)空氣的溫度。如把柴油噴入汽缸，將會(huì)發(fā)生怎樣的情況？（假設(shè)空氣可看作理想氣體。）只需考慮空氣的初狀態(tài)和末狀態(tài)，有T1=273+47=320（K）這一溫度已超過(guò)柴油的燃點(diǎn)，所以柴油噴入汽缸時(shí)就會(huì)立即燃燒，發(fā)生爆炸推動(dòng)活塞做功。解：例5-2容器內(nèi)裝有氧氣，質(zhì)量為0.10kg，壓強(qiáng)為10105Pa

，溫度為47oC。因?yàn)槿萜髀猓?jīng)過(guò)若干時(shí)間后，壓強(qiáng)降到原來(lái)的5/8，溫度降到27oC。問(wèn)(1)容器的容積有多大？(2)漏去了多少氧氣？解：(1)（2）若漏氣若干時(shí)間之后，壓強(qiáng)減小到p，溫度降到T。如果用M表示容器中剩余的氧氣的質(zhì)量，由狀態(tài)方程得漏去氧氣的質(zhì)量為一、分子熱運(yùn)動(dòng)的圖像§5-2分子熱運(yùn)動(dòng)和統(tǒng)計(jì)規(guī)律物體的分子在永不停息地作無(wú)序熱運(yùn)動(dòng)例如：1cm3的空氣中包含有2.7×1019個(gè)分子布朗運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)宏觀物體由大量粒子（分子、原子等）組成分子熱運(yùn)動(dòng)的圖像：1.標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氣體分子之間的距離大約是分子本身線(xiàn)度（10-10m）的10倍左右，可把氣體看作是彼此相距很大間隔的分子集合。2.分子與分子間的相互作用力，除了在碰撞的瞬間以外，極為微小。3.分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度約分子的平均碰撞頻率約分子的平均自由程約

二、分子熱運(yùn)動(dòng)的基本特征分子熱運(yùn)動(dòng)的基本特征：分子的永恒運(yùn)動(dòng)與頻繁的相互碰撞。分子熱運(yùn)動(dòng)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)有本質(zhì)的區(qū)別。1.分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性2.分子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)性微觀量：分子的速度、動(dòng)量、能量等。宏觀量：

溫度、壓強(qiáng)、體積等。統(tǒng)計(jì)方法：在氣體動(dòng)理論中，必須運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法，求出大量分子的某些微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值，用以解釋在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到的物體的宏觀性質(zhì)。三、分布函數(shù)和平均值偶然事件：不可預(yù)測(cè)而又大量出現(xiàn)的事件。多次觀察同樣的事件，可獲得該偶然事件的分布規(guī)律。例如：伽耳頓板實(shí)驗(yàn)投入一個(gè)小球，一次實(shí)驗(yàn)中，小球落入哪個(gè)狹槽是偶然的。投入大量的小球，落入各個(gè)狹槽的小球數(shù)目遵守一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。則小球的總數(shù)為為了描述統(tǒng)計(jì)規(guī)律，引入分布函數(shù)：

設(shè)第i個(gè)狹槽的寬度為xi

，其中積累的小球高度為hi

，則此狹槽內(nèi)的小球數(shù)目Nihixi

。令Ni

=Chi

xi第

i個(gè)狹槽內(nèi)小球數(shù)目占總球數(shù)的百分比為可作為每個(gè)小球落入第i個(gè)狹槽內(nèi)的概率。令則f(x)表示小球落在x附近單位區(qū)間內(nèi)的概率，或小球落在x處的概率密度，稱(chēng)為小球沿x

的分布函數(shù)。減小狹槽的寬度，使，小球落在xx+dx內(nèi)的概率（或在xx+dx內(nèi)的小球數(shù)目占總球數(shù)的百分比）為顯然，由分布函數(shù)還可計(jì)算任一物理量（如x）的統(tǒng)計(jì)平均值。（歸一化條件）如平均位置：§5-3理想氣體的壓強(qiáng)和溫度公式一、理想氣體的微觀模型1、分子線(xiàn)度與分子間距相比較可忽略，分子被看作質(zhì)點(diǎn)。2、除了分子碰撞的瞬間外，忽略分子間的相互作用。3、氣體分子在運(yùn)動(dòng)中遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。4、分子與分子間，分子與器壁的碰撞均為彈性碰撞。二、統(tǒng)計(jì)假設(shè)1、平衡態(tài)氣體分子數(shù)密度n

分布均勻。2、分子沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的物理量（速率等）幾率均等。沿空間各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的分子數(shù)目相等和分子各占一半3、分子速度在各個(gè)方向上的分量值均相等注意：統(tǒng)計(jì)假設(shè)只適用于大量分子的集體x推導(dǎo)：dA體積：V，分子數(shù)：N，分子質(zhì)量：m把分子分成若干的組，每一組的分子具有大小和方向都相同的速度。假設(shè)每組的分子數(shù)密度為ni

，速率為vi。一個(gè)分子一次碰撞后動(dòng)量的增量：一個(gè)分子一次碰撞對(duì)器壁的沖量：第i組：dA第i組分子dt時(shí)間內(nèi)與dA面碰撞分子數(shù)：dt時(shí)間內(nèi)作用于dA沖量：dt時(shí)間內(nèi)作用于dA總沖量：注意:（求和僅限于vix>0的范圍，因?yàn)橹挥衯ix>0的分子才能和器壁相碰）x對(duì)于所有組dA壓力：總沖量：按照統(tǒng)計(jì)假設(shè)vix>0和vix<0各占一半壓強(qiáng)：根據(jù)統(tǒng)計(jì)假設(shè)：壓強(qiáng)：說(shuō)明1、上式表明了宏觀量P與微觀量的平均值之間的聯(lián)系2、在推導(dǎo)過(guò)程中對(duì)單個(gè)分子使用力學(xué)規(guī)律處理，對(duì)大量分子采用了統(tǒng)計(jì)平均的方法，n、都是統(tǒng)計(jì)平均值。所以，P也是統(tǒng)計(jì)平均量，而非簡(jiǎn)單的力學(xué)量。3、壓強(qiáng)大小與容器形狀無(wú)關(guān)理想氣體狀態(tài)方程：則：玻耳茲曼常數(shù)五、溫度公式說(shuō)明1、氣體分子的平均平動(dòng)能只與溫度有關(guān)，并與熱力學(xué)溫度成正比。3、從微觀上闡明了溫度的本質(zhì)，即溫度標(biāo)志著物體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度2、溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計(jì)意義，對(duì)單個(gè)分子，所它由溫度是沒(méi)有意義的。方均根速率：六、方均根速率表0℃時(shí)，幾種氣體分子的方均根速率氣體Mmol（×10－3kg．mol-1）

(m．s-1)氫2.021838氦4.01311水蒸氣18615一氧化碳28493氧32461二氧化碳44393例5-3

兩瓶不同種類(lèi)的氣體，其分子平均平動(dòng)動(dòng)能相等，但分子數(shù)密度不同。問(wèn)：它們的溫度是否相同？壓強(qiáng)是否相同？解：例5-4試求氮?dú)夥肿拥钠骄絼?dòng)動(dòng)能和均方根速率。設(shè)（1）在溫度t=100