氣體教學課件

熱學是研究與熱現(xiàn)象有關(guān)的規(guī)律的科學。熱現(xiàn)象是物質(zhì)中大量分子無規(guī)則運動的集體表現(xiàn)。大量分子的無規(guī)則運動稱為熱運動。常見的一些現(xiàn)象：1、一壺水開了，水變成了水蒸氣。2、溫度降到0℃以下，液體的水變成了固體的冰塊。3、氣體被壓縮，產(chǎn)生壓強。4、物體被加熱，物體的溫度升高。熱現(xiàn)象熱物理學宏觀法與微觀法相輔相成。熱學的研究方法：1.宏觀法.

最基本的實驗規(guī)律邏輯推理(運用數(shù)學)------稱為熱力學。

優(yōu)點：可靠、普遍。缺點：未揭示微觀本質(zhì)。2.微觀法.

物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)+統(tǒng)計方法------稱為統(tǒng)計力學其初級理論稱為氣體分子運動論(氣體動理論)優(yōu)點：揭示了熱現(xiàn)象的微觀本質(zhì)。

缺點：可靠性、普遍性差。氣體動理論熱力學研究的對象----熱力學系統(tǒng).一.熱力學系統(tǒng)熱力學系統(tǒng)以外的物體稱為外界。孤立系統(tǒng):系統(tǒng)和外界完全隔絕的系統(tǒng)例：若汽缸內(nèi)氣體為系統(tǒng)，其它為外界§1分子運動的基本概念

二.系統(tǒng)狀態(tài)的描述微觀量：分子的質(zhì)量、速度、動量、能量等。宏觀量：溫度、壓強、體積等。在宏觀上不能直接進行測量和觀察。在宏觀上能夠直接進行測量和觀察。宏觀量與微觀量的關(guān)系：宏觀量與微觀量的內(nèi)在聯(lián)系表現(xiàn)在大量分子雜亂無章的熱運動遵從一定的統(tǒng)計規(guī)律性上。在實驗中，所測量到的宏觀量只是大量分子熱運動的統(tǒng)計平均值。三.基本原理:1.自然界中一切物體都是由大量不連續(xù)的、彼此間有一定距離的微粒所組成,這種微粒稱為分子.2.分子間有相互作用力.3.分子永不停息地作無規(guī)則的運動.§2氣體的狀態(tài)參量平衡態(tài)一、體積V氣體分子所能達到的空間范圍.[單位:

m3]二、壓強P氣體作用于容器壁單位面積的垂直作用力.[單位:Pa]1Pa=1N/m21.1mmHg=133.3Pa2.標準大氣壓(atm)三、溫度t,T反映系統(tǒng)內(nèi)部大量分子作無規(guī)則劇烈運動程度1.攝氏溫標(t)[單位:℃]2.熱力學溫標(T)[單位:K]兩者換算關(guān)系:T=273.15+t狀態(tài)參量：表征氣體有關(guān)特性的物理量如P、V、T等四.平衡狀態(tài)

在不受外界影響（即系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)和能量的交換）的條件下，無論初始狀態(tài)如何，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)在經(jīng)充分長時間后不再發(fā)生變化的狀態(tài)。平衡態(tài)：準靜態(tài)過程：如果狀態(tài)變化過程進行得非常緩慢，以至過程中的每一個中間狀態(tài)都近似于平衡態(tài)，這樣的過程稱為“準靜態(tài)過程

”，又稱“平衡過程

”。（質(zhì)量不變）§3理想氣體物態(tài)方程3.1氣體的實驗規(guī)律一.氣體定律二.阿伏伽德羅定律在相同的溫度和壓強下,1摩爾的任何氣體所占據(jù)的體積都相同.在標準狀態(tài)下,即壓強P0=1atm、溫度T0=273.15K時,1摩爾的任何氣體的體積均為v0=22.41L/mol3.2理想氣體理想氣體：在任何情況下都嚴格遵守“波-馬定律”、“蓋-呂定律”以及“查理定律”的氣體。3.3理想氣體物態(tài)方程（質(zhì)量不變）標準狀態(tài)：M為氣體的總質(zhì)量。M

mol為氣體的摩爾質(zhì)量。其中：理想氣體物態(tài)方程：令：R

稱為“普適氣體常數(shù)

”代入：阿伏伽德羅常數(shù)：玻耳茲曼常數(shù)：設(shè)：分子質(zhì)量為m，氣體分子數(shù)為N，分子數(shù)密度n。理想氣體物態(tài)方程：標準狀態(tài)下的分子數(shù)密度：洛喜密脫數(shù)：例3.1;3.2(p107-108)4.1壓強的成因分子熱運動的平均速率約v=500m/s；分子數(shù)密度31019個分子/cm3=3千億個億；分子之間有一定的間隙，有一定的作用力；分子的平均碰撞次數(shù)約z=1010

次/秒?！?氣體動理論壓強公式壓強:氣體作用于容器壁單位面積上的垂直作用力4.2理想氣體的微觀模型：1.分子線度與分子間距相比較可忽略，分子看作質(zhì)點。2.除了分子碰撞的瞬間外，忽略分子間的相互作用。3.氣體分子在運動中遵守經(jīng)典力學規(guī)律，假設(shè)碰撞為彈性碰撞;4.除需特別考慮外,不計分子所受到的重力。4.3理想氣體壓強公式及其意義結(jié)論：

溫度標志著物體內(nèi)部分子熱運動的劇烈程度，它是大量分子熱運動的平均平動動能的統(tǒng)計平均值的量度?！?氣體動理論溫度公式方均根速率：方均根速率：例1.體積為10l

的瓶內(nèi)貯有氫氣.在溫度為280K時氣壓計讀數(shù)為5.07×106Pa.過了些時候,溫度增為290K,但因開關(guān)漏氣,氣壓計讀數(shù)仍沒有變化.問漏去了多少氫氣?解:設(shè)瓶內(nèi)原有的氫氣質(zhì)量為m1,后來變?yōu)閙2.例題2.兩瓶不同種類的氣體，其分子平均平動動能相等，但分子數(shù)密度不同。問：它們的溫度是否相同？壓強是否相同？解：例題3：試求氮氣分子的平均平動動能和均方根速率。設(shè)（1）在溫度t=1000℃時；（2）t=0℃時；（3）t=-150℃時。解：6.1運動自由度的概念氣體分子運動的自由度決定某物體在空間的位置所需要的獨立坐標數(shù)目。自由度：作直線運動的質(zhì)點：一個自由度作平面運動的質(zhì)點：二個自由度作空間運動的質(zhì)點：三個自由度§6能量按自由度均分定理理想氣體的內(nèi)能運動剛體的自由度：zyxCz′x′y′結(jié)論：自由剛體有六個自由度三個平動自由度三個轉(zhuǎn)動自由度單原子分子：一個原子構(gòu)成一個分子三原子分子：三個原子構(gòu)成一個分子雙原子分子：兩個原子構(gòu)成一個分子三個自由度氫、氧、氮等五個自由度氦、氬等水蒸汽、甲烷等六個自由度6.2能量按自由度均分定理單原子分子：能量均分定理：

在溫度為T的平衡態(tài)下，物質(zhì)分子的每一個自由度都具有相同的平均動能，其大小都等于kT/2。分子平均能量：“i”為剛性分子自由度單原子分子：多原子分子：雙原子分子：非剛性雙原子分子除平動能、轉(zhuǎn)動能，還有振動能：振動自由度s=1每個振動自由度分配平均能2倍設(shè)平動自由度t，轉(zhuǎn)動自由度r，振動自由度s，平均能量：6.3理想氣體的內(nèi)能一、內(nèi)能的概念內(nèi)能:系統(tǒng)處在一定的狀態(tài)應(yīng)具有一定的能量,它是狀態(tài)的單值函數(shù)。在熱力學中,它是分子熱運動的動能和分子間的勢能,用E表示。理想氣體的內(nèi)能：二、理想氣體的內(nèi)能7.1速率分布概念設(shè)有N=100個分子，速率范圍：0300ms-1

2050300.20.50.3單個分子速率不可預(yù)知，大量分子的速率分布是遵循統(tǒng)計規(guī)律，是確定的，這個規(guī)律也叫麥克斯韋速率分布律?！?氣體分子熱運動的速率分布規(guī)律單位速率區(qū)間內(nèi)分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比：～物理意義：

速率在v附近，單位速率區(qū)間內(nèi)分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比。速率分布函數(shù)：（幾率密度）一般來說,它是和f(v)成正比顯然歸一化條件7.2速率分布函數(shù)7.3麥克斯韋速率分布定律f(v)vdvf(v)vv2v1結(jié)論：

在麥克斯韋速率分布曲線下的任意一塊面積在數(shù)值上等于相應(yīng)速率區(qū)間內(nèi)分子數(shù)占總分子數(shù)的百分率。7.4氣體分子熱運動速率的三種統(tǒng)計平均值(1)

最概然速率：f(v)v(2)平均速率：設(shè)：速率為v1的分子數(shù)為N1個；速率為v2的分子數(shù)為個N2；…?？偡肿訑?shù)：N=N1+N2+…+Nn(3)方均根速率：同理有:f(v)v例題4.圖為同一種氣體，處于不同溫度狀態(tài)下的速率分布曲線，試問（1）哪一條曲線對應(yīng)的溫度高？（2)如果這兩條曲線分別對應(yīng)的是同一溫度下氧氣和氫氣的分布曲線，問哪條曲線對應(yīng)的是氧氣，哪條對應(yīng)的是氫氣？解：(1)

T1<

T2(2)紅：氧蘭：氫f(v)vT1T2例5.下列各式的物理意義分別為:(1)(2)(3)(4)(5)(6)理想氣體分子每一自由度的平均能量理想氣體分子的平均平動動能自由度為I的理想氣體分子的平均動能1mol理想氣體的內(nèi)能m/Mmol理想氣體的內(nèi)能m/Mmol理想氣體溫度由T1變化到T2的內(nèi)能增量例6.下列各式的物理意義分別為:(1)(2)(3)(4)速率在v-v+dv內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比速率在v-v+dv內(nèi)的分子數(shù)速率在v1→v2內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比速率在v1→v2內(nèi)的分子數(shù)例7.試計算27℃下的氧氣分子的三種速率.解:Mmol=0.032kg/mol,T=273+27=300K可見在相同溫度下:例題8.有N個粒子，其速率分布函數(shù)為:C(vo>v>0)0(v>vo)1、作速率分布曲線。2、由N和vo求常數(shù)C。3、求粒子的平均速率。4、求粒子的方均根速率。Cvovo解：

熱學是研究與熱現(xiàn)象有關(guān)的規(guī)律的科學。熱現(xiàn)象是物質(zhì)中大量分子無規(guī)則運動的集體表現(xiàn)。大量分子的無規(guī)則運動稱為熱運動。常見的一些現(xiàn)象：1、一壺水開了，水變成了水蒸氣。2、溫度降到0℃以下，液體的水變成了固體的冰塊。3、氣體被壓縮，產(chǎn)生壓強。4、物體被加熱，物體的溫度升高。熱現(xiàn)象熱物理學宏觀法與微觀法相輔相成。熱學的研究方法：1.宏觀法.

最基本的實驗規(guī)律邏輯推理(運用數(shù)學)------稱為熱力學。

優(yōu)點：可靠、普遍。缺點：未揭示微觀本質(zhì)。2.微觀法.

物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)+統(tǒng)計方法------稱為統(tǒng)計力學其初級理論稱為氣體分子運動論(氣體動理論)優(yōu)點：揭示了熱現(xiàn)象的微觀本質(zhì)。

缺點：可靠性、普遍性差。氣體動理論熱力學研究的對象----熱力學系統(tǒng).一.熱力學系統(tǒng)熱力學系統(tǒng)以外的物體稱為外界。孤立系統(tǒng):系統(tǒng)和外界完全隔絕的系統(tǒng)例：若汽缸內(nèi)氣體為系統(tǒng)，其它為外界§1分子運動的基本概念

二.系統(tǒng)狀態(tài)的描述微觀量：分子的質(zhì)量、速度、動量、能量等。宏觀量：溫度、壓強、體積等。在宏觀上不能直接進行測量和觀察。在宏觀上能夠直接進行測量和觀察。宏觀量與微觀量的關(guān)系：宏觀量與微觀量的內(nèi)在聯(lián)系表現(xiàn)在大量分子雜亂無章的熱運動遵從一定的統(tǒng)計規(guī)律性上。在實驗中，所測量到的宏觀量只是大量分子熱運動的統(tǒng)計平均值。三.基本原理:1.自然界中一切物體都是由大量不連續(xù)的、彼此間有一定距離的微粒所組成,這種微粒稱為分子.2.分子間有相互作用力.3.分子永不停息地作無規(guī)則的運動.§2氣體的狀態(tài)參量平衡態(tài)一、體積V氣體分子所能達到的空間范圍.[單位:

m3]二、壓強P氣體作用于容器壁單位面積的垂直作用力.[單位:Pa]1Pa=1N/m21.1mmHg=133.3Pa2.標準大氣壓(atm)三、溫度t,T反映系統(tǒng)內(nèi)部大量分子作無規(guī)則劇烈運動程度1.攝氏溫標(t)[單位:℃]2.熱力學溫標(T)[單位:K]兩者換算關(guān)系:T=273.15+t狀態(tài)參量：表征氣體有關(guān)特性的物理量如P、V、T等四.平衡狀態(tài)

在不受外界影響（即系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)和能量的交換）的條件下，無論初始狀態(tài)如何，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)在經(jīng)充分長時間后不再發(fā)生變化的狀態(tài)。平衡態(tài)：準靜態(tài)過程：如果狀態(tài)變化過程進行得非常緩慢，以至過程中的每一個中間狀態(tài)都近似于平衡態(tài)，這樣的過程稱為“準靜態(tài)過程

”，又稱“平衡過程

”。（質(zhì)量不變）§3理想氣體物態(tài)方程3.1氣體的實驗規(guī)律一.氣體定律二.阿伏伽德羅定律在相同的溫度和壓強下,1摩爾的任何氣體所占據(jù)的體積都相同.在標準狀態(tài)下,即壓強P0=1atm、溫度T0=273.15K時,1摩爾的任何氣體的體積均為v0=22.41L/mol3.2理想氣體理想氣體：在任何情況下都嚴格遵守“波-馬定律”、“蓋-呂定律”以及“查理定律”的氣體。3.3理想氣體物態(tài)方程（質(zhì)量不變）標準狀態(tài)：M為氣體的總質(zhì)量。M

mol為氣體的摩爾質(zhì)量。其中：理想氣體物態(tài)方程：令：R

稱為“普適氣體常數(shù)

”代入：阿伏伽德羅常數(shù)：玻耳茲曼常數(shù)：設(shè)：分子質(zhì)量為m，氣體分子數(shù)為N，分子數(shù)密度n。理想氣體物態(tài)方程：標準狀態(tài)下的分子數(shù)密度：洛喜密脫數(shù)：例3.1;3.2(p107-108)4.1壓強的成因分子熱運動的平均速率約v=500m/s；分子數(shù)密度31019個分子/cm3=3千億個億；分子之間有一定的間隙，有一定的作用力；分子的平均碰撞次數(shù)約z=1010

次/秒。§4氣體動理論壓強公式壓強:氣體作用于容器壁單位面積上的垂直作用力4.2理想氣體的微觀模型：1.分子線度與分子間距相比較可忽略，分子看作質(zhì)點。2.除了分子碰撞的瞬間外，忽略分子間的相互作用。3.氣體分子在運動中遵守經(jīng)典力學規(guī)律，假設(shè)碰撞為彈性碰撞;4.除需特別考慮外,不計分子所受到的重力。4.3理想氣體壓強公式及其意義結(jié)論：

溫度標志著物體內(nèi)部分子熱運動的劇烈程度，它是大量分子熱運動的平均平動動能的統(tǒng)計平均值的量度。§5氣體動理論溫度公式方均根速率：方均根速率：例1.體積為10l

的瓶內(nèi)貯有氫氣.在溫度為280K時氣壓計讀數(shù)為5.07×106Pa.過了些時候,溫度增為290K,但因開關(guān)漏氣,氣壓計讀數(shù)仍沒有變化.問漏去了多少氫氣?解:設(shè)瓶內(nèi)原有的氫氣質(zhì)量為m1,后來變?yōu)閙2.例題2.兩瓶不同種類的氣體，其分子平均平動動能相等，但分子數(shù)密度不同。問：它們的溫度是否相同？壓強是否相同？解：例題3：試求氮氣分子的平均平動動能和均方根速率。設(shè)（1）在溫度t=1000℃時；（2）t=0℃時；（3）t=-150℃時。解：6.1運動自由度的概念氣體分子運動的自由度決定某物體在空間的位置所需要的獨立坐標數(shù)目。自由度：作直線運動的質(zhì)點：一個自由度作平面運動的質(zhì)點：二個自由度作空間運動的質(zhì)點：三個自由度§6能量按自由度均分定理理想氣體的內(nèi)能運動剛體的自由度：zyxCz′x′y′結(jié)論：自由剛體有六個自由度三個平動自由度三個轉(zhuǎn)動自由度單原子分子：一個原子構(gòu)成一個分子三原子分子：三個原子構(gòu)成一個分子雙原子分子：兩個原子構(gòu)成一個分子三個自由度氫、氧、氮等五個自由度氦、氬等水蒸汽、甲烷等六個自由度6.2能量按自由度均分定理單原子分子：能量均分定理：

在溫度為T的平衡態(tài)下，物質(zhì)分子的每一個自由度都具有相同的平均動能，其大小都等于kT/2。分子平均能量：“i”為剛性分子自由度單原子分子：多原子分子：雙原子分子：非剛性雙原子分子除平動能、轉(zhuǎn)動能，還有振動能：振動自由度s=1每個振動自由度分配平均能2倍設(shè)平動自由度t，轉(zhuǎn)動自由度r，振動自由度s，平均能量：6.3理想氣體的內(nèi)能一、內(nèi)能的概念內(nèi)能:系統(tǒng)處在一定的狀態(tài)應(yīng)具有一定的能量,它是狀態(tài)的單值函數(shù)。在熱力學中,它是分子熱運動的動能和分子間的勢能,用E表示。理想氣體的內(nèi)能：二、理想氣體的內(nèi)能7.1速率分布概念設(shè)有N=100個分子，速率范圍：0300ms-1

2050300.20.50.3單個分子速率不可預(yù)知，大量分子的速率分布是遵循統(tǒng)計規(guī)律，是確定的，這個規(guī)律也叫麥克斯韋速率分布律?！?氣體分子熱運動的速率分布規(guī)律單位速率區(qū)間內(nèi)分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比：～物理意義：

速率在v附近，單位速率區(qū)間內(nèi)分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比。速率分布函數(shù)：（幾率密度）一般來說,它是和f(v)成正比顯然歸一化條件7.2速率分布函數(shù)7.3麥克斯韋速率分布定律f(v)vdvf(v)vv2v1結(jié)論：

在麥克斯韋速率分布曲線下的任意一塊面積在數(shù)值上等于相應(yīng)速率區(qū)間內(nèi)分子數(shù)占總分子數(shù)的百分率。