氣體動理論基礎

氣體動理論基礎第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日玻耳茲曼氣體的動理論第十四章麥克斯韋第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日10-1平衡態(tài)溫度理想氣體狀態(tài)方程一、平衡態(tài)熱力學系統(tǒng)（熱力學研究的對象）：大量微觀粒子（分子、原子等）組成的宏觀物體。外界：熱力學系統(tǒng)以外的物體。系統(tǒng)分類（按系統(tǒng)與外界交換特點）：孤立系統(tǒng)：與外界既無能量又無物質(zhì)交換封閉系統(tǒng)：與外界只有能量交換而無物質(zhì)交換開放系統(tǒng)：與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日系統(tǒng)分類（按系統(tǒng)所處狀態(tài)）：平衡態(tài)系統(tǒng)非平衡態(tài)系統(tǒng)熱平衡態(tài):在無外界的影響下，不論系統(tǒng)初始狀態(tài)如何，經(jīng)過足夠長的時間后，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間改變的穩(wěn)定狀態(tài)。平衡條件:(1)系統(tǒng)與外界在宏觀上無能量和物質(zhì)的交換，(2)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間改變。非平衡態(tài):不具備兩個平衡條件之一的系統(tǒng)。第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日箱子假想分成兩相同體積的部分，達到平衡時，兩側粒子有的穿越界線，但兩側粒子數(shù)相同。例如：粒子數(shù)說明：平衡態(tài)是一種理想狀態(tài)處在平衡態(tài)的大量分子仍在作熱運動，而且因為碰撞，每個分子的速度經(jīng)常在變，但是系統(tǒng)的宏觀量不隨時間改變。平衡態(tài)是一種熱動平衡第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日對熱力學系統(tǒng)的描述：1.宏觀量——狀態(tài)參量

平衡態(tài)下描述宏觀屬性的相互獨立的物理量。如壓強p、體積V、溫度T等。2.微觀量描述系統(tǒng)內(nèi)個別微觀粒子特征的物理量。如分子的質(zhì)量、直徑、速度、動量、能量

等。微觀量與宏觀量有一定的內(nèi)在聯(lián)系。第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、溫度表征物體的冷熱程度A、B兩體系互不影響各自達到平衡態(tài)A、B兩體系達到共同的熱平衡狀態(tài)AB絕熱板初態(tài)AB導熱板末態(tài)第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日ABC若A和B、B和C分別熱平衡，則A和C一定熱平衡。

（熱力學第零定律）處在相互熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)擁有某一共同的宏觀物理性質(zhì)——溫度溫標：溫度的數(shù)值表示方法。攝氏溫標、熱力學溫標第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日三、理想氣體狀態(tài)方程理想氣體當系統(tǒng)處于平衡態(tài)時，各個狀態(tài)參量之間的關系式。第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日例：氧氣瓶的壓強降到106Pa即應重新充氣，以免混入其他氣體而需洗瓶。今有一瓶氧氣，容積為32L，壓強為1.3107Pa，若每天用105Pa的氧氣400L，問此瓶氧氣可供多少天使用？設使用時溫度不變。解:根據(jù)題意，可確定研究對象為原來氣體、用去氣體和剩余氣體，設這三部分氣體的狀態(tài)參量分別為使用時的溫度為T設可供x天使用原有每天用量剩余第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日分別對它們列出狀態(tài)方程，有第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日氣體對器壁的壓強是大量分子對容器不斷碰撞的統(tǒng)計平均10-2

理想氣體的壓強公式每個分子對器壁的作用所有分子對器壁的作用理想氣體的壓強公式第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、分子可以看作質(zhì)點本身的大小比起它們之間的平均距離可忽略不計。2、除碰撞外，分子之間的作用可忽略不計。3、分子間的碰撞是完全彈性的。一、理想氣體的分子模型理想氣體的分子模型是彈性的自由運動的質(zhì)點。第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、平均而言，沿各個方向遠東的分子數(shù)相同。2、氣體的性質(zhì)與方向無關，即在各個方向上速率的各種平均值相等。3、不因碰撞而丟失具有某一速度的分子。二、理想氣體的分子性質(zhì)平衡態(tài)下：第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日三．理想氣體的壓強公式一定質(zhì)量的處于平衡態(tài)的某種理想氣體。(V,N,m)平衡態(tài)下器壁各處壓強相同，選A1面求其所受壓強。第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日i分子動量增量i分子對器壁的沖量i分子相繼與A1面碰撞的時間間隔單位時間內(nèi)i分子對A1面的碰撞次數(shù)單位時間內(nèi)i分子對A1面的沖量i分子對A1面的平均沖力第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日所有分子對A1面的平均作用力壓強第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日——分子的平均平動動能平衡態(tài)下第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日一、溫度的統(tǒng)計解釋溫度是氣體分子平均平動動能大小的量度10-3溫度的統(tǒng)計解釋第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日例:（1）在一個具有活塞的容器中盛有一定的氣體。如果壓縮氣體并對它加熱，使它的溫度從270C升到1770C，體積減少一半，求氣體壓強變化多少？（2）這時氣體分子的平均平動動能變化多少？解：第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、氣體分子的方均根速率大量分子速率的平方平均值的平方根氣體分子的方均根速率與氣體的熱力學溫度的平方根成正比，與氣體的摩爾質(zhì)量的平方根成反比。第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日一、自由度確定一個物體的空間位置所需要的獨立坐標數(shù)目。以剛性分子（分子內(nèi)原子間距離保持不變）為例10-4能量均分定理理想氣體的內(nèi)能第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日雙原子分子單原子分子平動自由度t=3平動自由度t=3轉(zhuǎn)動自由度r=2三原子分子平動自由度t=3轉(zhuǎn)動自由度r=3第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、能量均分定理氣體分子沿x,y,z三個方向運動的平均平動動能完全相等，可以認為分子的平均平動動能均勻分配在每個平動自由度上。第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日平衡態(tài)下，不論何種運動，相應于每一個可能自由度的平均動能都是能量按自由度均分定理如果氣體分子有i個自由度，則分子的平均動能為第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日三、理想氣體的內(nèi)能分子間相互作用可以忽略不計分子間相互作用的勢能=0理想氣體的內(nèi)能=所有分子的熱運動動能之總和1mol理想氣體的內(nèi)能為一定質(zhì)量理想氣體的內(nèi)能為溫度改變，內(nèi)能改變量為第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日例就質(zhì)量而言，空氣是由76%的N2，23%的O2和1%的Ar三種氣體組成，它們的分子量分別為28、32、40?？諝獾哪栙|(zhì)量為28.910-3kg，試計算1mol空氣在標準狀態(tài)下的內(nèi)能。解：在空氣中N2質(zhì)量摩爾數(shù)O2質(zhì)量摩爾數(shù)第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日Ar質(zhì)量摩爾數(shù)1mol空氣在標準狀態(tài)下的內(nèi)能第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日10-5麥克斯韋分子速率分布定律平衡態(tài)下，理想氣體分子速度分布是有規(guī)律的，這個規(guī)律叫麥克斯韋速度分布律。若不考慮分子速度的方向，則叫麥克斯韋速率分布律。一、氣體分子的速率分布分布函數(shù)研究氣體分子的速率分布把速率分成若干相等區(qū)間求氣體在平衡態(tài)下分布在各區(qū)間內(nèi)的分子數(shù)各區(qū)間的分子數(shù)占氣體分子總數(shù)的百分比分布表分布曲線分布函數(shù)第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日面積大小代表速率v附近dv區(qū)間內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日麥克斯韋速率分布曲線f(v)f(vp)vvpvv+dvv1v2dNN面積=出現(xiàn)在v~v+dv區(qū)間內(nèi)的概率分子出現(xiàn)在v1~v2區(qū)間內(nèi)的概率曲線下的總面積恒等于1第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、麥克斯韋速率分布規(guī)律理想氣體處于平衡態(tài)且無外力場一個分子處于v~v+dv區(qū)間內(nèi)的概率第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日測定分子速率分布的實驗裝置圓筒不轉(zhuǎn)，分子束的分子都射在P處圓筒轉(zhuǎn)動，分子束的速率不同的分子將射在不同位置第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、最概然速率與分布函數(shù)f(v)的極大值相對應的速率極值條件2、平均速率大量分子速率的統(tǒng)計平均值三、分子速率的三個統(tǒng)計值第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日對于連續(xù)分布3、方均根速率大量分子速率的平方平均值的平方根第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日都與成正比，與（或）成反比f(v)v第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、溫度與分子速率溫度越高，分布曲線中的最概然速率vp增大，但歸一化條件要求曲線下總面積不變，因此分布曲線寬度增大，高度降低。四、麥克斯韋分布曲線的性質(zhì)f(v)f(vp3)vvpf(vp1)f(vp2)T1T3T2第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日2、質(zhì)量與分子速率分子質(zhì)量越大，分布曲線中的最概然速率vp越小，但歸一化條件要求曲線下總面積不變，因此分布曲線寬度減小，高度升高。f(v)f(vp3)vvpf(vp1)f(vp2)Mmol1Mmol2Mmol3第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日例設想有N個氣體分子，其速率分布函數(shù)為試求:(1)常數(shù)A；(2)最可幾速率，平均速率和方均根；(3)速率介于0~v0/3之間的分子數(shù)；(4)速率介于0~v0/3之間的氣體分子的平均速率。解：(1)氣體分子的分布曲線如圖由歸一化條件第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日(2)最可幾速率由決定，即平均速率方均速率方均根速率為第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日(3)速率介于0~v0/3之間的分子數(shù)(4)速率介于0~v0/3之間的氣體分子平均速率為第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日討論速率介于v1~v2之間的氣體分子的平均速率的計算對于v的某個函數(shù)g(v)，一般地，其平均值可以表示為第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日*10-6玻耳茲曼分布律一、麥克斯韋速度分布律分子的速度分量限制在內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日速度空間單位體積元內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率，即速度概率密度（氣體分子速度分布函數(shù)）麥克斯韋速度分布函數(shù)第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、玻爾茲曼分布律若氣體分子處于恒定的外力場（如重力場）中氣體分子在空間位置不再呈均勻分布氣體分子分布規(guī)律如何推廣：（1）氣體分子處于外力場中，分子能量E=Ep+Ek（2）粒子分布不僅按速率區(qū)v~v+dv間分布，還應按位置區(qū)間x~x+dx、y~y+dy、z~z+dz分布第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日假定體積元dxdydz中的分子數(shù)仍含有各種速率的分子，且遵守麥克斯韋分布律在速率區(qū)間v~v+dv中的分子數(shù)為第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日等寬度區(qū)間，能量越低的粒子出現(xiàn)的概率越大，隨著能量升高，粒子出現(xiàn)的概率按指數(shù)率減小。第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日例氫原子基態(tài)能級E1=-13.6eV，第一激發(fā)態(tài)能級E2=-3.4eV，求出在室溫T=270C時原子處于第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的數(shù)目比。解：在室溫下，氫原子幾乎都處于基態(tài)。第四十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日10-7分子的平均碰撞次數(shù)和平均自由程氮氣分子在270C時的平均速率為476m.s-1.矛盾氣體分子熱運動平均速率高，但氣體擴散過程進行得相當慢?？藙谛匏怪赋觯簹怏w分子的速度雖然很大，但前進中要與其他分子作頻繁的碰撞，每碰一次，分子運動方向就發(fā)生改變，所走的路程非常曲折。氣體分子平均速率第五十頁，共五十八頁，2022年，8月28日在相同的t時間內(nèi)，分子由A到B的位移大小比它的路程小得多擴散速率(位移量/時間)平均速率(路程/時間)分子自由程:氣體分子兩次相鄰碰撞之間自由通過的路程。分子碰撞頻率:在單位時間內(nèi)一個分子與其他分子碰撞的次數(shù)。第五十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日大量分子的分子自由程與每秒碰撞次數(shù)服從統(tǒng)計分布規(guī)律?？梢郧蟪銎骄杂沙毯推骄鲎泊螖?shù)。假定每個分子都是有效直徑為d的彈性小球。只有某一個分子A以平均速率運動，其余分子都靜止。一、平均碰撞次數(shù)Adddvv第五十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日Adddvv運動方向上，以d為半徑的圓柱體內(nèi)的分子都將與分子A碰撞球心在圓柱體內(nèi)的分