1、大學(xué)物理電子教案遼寧工程技術(shù)大學(xué)物理教研室8/16/20221第六章 氣體動理論基礎(chǔ)熱學(xué) 分子物理學(xué)熱 力 學(xué)研究物質(zhì)熱現(xiàn)象及熱運(yùn)動規(guī)律從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，用統(tǒng)計(jì)規(guī)律建立宏觀量與微觀量的聯(lián)系，從而揭示熱本質(zhì)。從物質(zhì)的宏觀狀態(tài)出發(fā)，以能量轉(zhuǎn)換與守恒的方法來研究熱運(yùn)動過程的規(guī)律。熱力學(xué)所研究的物質(zhì)宏觀性質(zhì)只有經(jīng)過分子物理學(xué)的分析、才能了解其本質(zhì)。分子物理學(xué)的理論，只有經(jīng)過熱力學(xué)的研究才能得到驗(yàn)證。分子物理學(xué)和 熱 力 學(xué)相 互 聯(lián) 系相 互 補(bǔ) 充（宏觀理論）（微觀理論）8/16/20222表征個別分子特性的物理量稱為微觀量微觀量：如：分子運(yùn)動的速率、質(zhì)量、平均能量等這些量不能直接測量宏觀量：表

2、征大量分子集體特性的量稱為宏觀量。如：氣體的體積、溫度、壓強(qiáng)、質(zhì)量等。統(tǒng)計(jì)規(guī)律：幾個概念：這些量可以直接測量 單一分子的運(yùn)動狀態(tài)是瞬息萬變的，無規(guī)則的。 用力學(xué)的方法來描述每個分子的運(yùn)動是不可能的。大量分子的整體行為卻是有規(guī)律的，稱統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。 8/16/20223物質(zhì)的微觀模型: 1、一切物質(zhì)由大量微觀粒子（分子、原子）組成，分子間有空隙。 2、組成物質(zhì)的分子間有相互作用力。 f rr0r = r0=10-10 mr r0 3、分子不停地作無規(guī)則運(yùn)動（平 動、轉(zhuǎn)動、振動），劇烈程度與溫度有關(guān)熱運(yùn)動。既有引力又有斥力平衡距離合力 f = 0引力和斥力相互抵消合力 f 0引力起主要作用r 0斥力

3、起主要作用引力斥力r 10-9 m忽略8/16/202244.1 理想氣體的壓強(qiáng)、溫度與內(nèi)能一、 理想氣體的狀態(tài)方程熱力學(xué)溫標(biāo)T：1.狀態(tài)參量（2）壓強(qiáng) P：氣體分子作用在器壁單位面積上的正壓力單位：pa （帕斯卡）（N/m2 ）（1）體積 V：氣體分子所能達(dá)到的空間單位： m3 立方米 （3）溫度 T： 攝 氏 溫 標(biāo)t:表示物體冷熱程度的物理量（K）溫標(biāo)8/16/202252. 清楚幾個概念(1) 熱力學(xué)系統(tǒng):在熱學(xué)中通常把所研究的對象或系統(tǒng)稱為熱力學(xué)系統(tǒng)。把系統(tǒng)以外的物質(zhì)稱為外界。(2) 理想氣體:在任何情況下都絕對遵守“三大實(shí)驗(yàn)定律”的氣體稱為理想氣體。真實(shí)氣體在溫度不太低，壓強(qiáng)不太高

4、時(shí)可似為理想氣體。玻意耳-馬略特定律（等溫變化）查理定律（等容變化）蓋-呂薩克定律（等壓變化）8/16/20226(3) 平衡態(tài):當(dāng)氣體各狀態(tài)參量( P V T） 不隨時(shí)間變化時(shí), 稱這一狀態(tài)為平衡態(tài)。說明： 平衡態(tài)為熱動平衡； 平衡時(shí)：系統(tǒng)與外界沒有任何的能量交換系統(tǒng)內(nèi)部沒有任何其他形式的能量轉(zhuǎn)換（4）準(zhǔn)靜態(tài)過程：準(zhǔn)靜態(tài)過程在 P-V 圖上是一條曲線。一個狀態(tài)另一狀態(tài)一系列中間狀態(tài)狀態(tài)變化過程無限接近平衡態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)過程（平衡過程）8/16/202273.理想氣體的狀態(tài)方程(1) 氣體質(zhì)量一定時(shí)(2) 常用形式(3) 用分子數(shù)密度n表示分子數(shù)密度玻爾茲曼常數(shù)8/16/20228二、 理想氣體的壓

5、強(qiáng)（3）除碰撞瞬間，分子與分子，分子與容器壁間均無相互作用，且忽略重力影響。1.理想氣體的分子模型（1）氣體分子可視為質(zhì)點(diǎn)，每個分子的運(yùn)動遵從牛頓運(yùn)動定律。2. 統(tǒng)計(jì)假設(shè)（平衡態(tài)下）容器中任一位置處單位體積內(nèi)的分子數(shù)相同分子速度在各個方向上的分量的各種平均值相等假設(shè)依據(jù)：在平衡態(tài)，氣體分子的空間分布到處均勻假設(shè)內(nèi)容：返11（2）每個分子當(dāng)作彈性小球，分子間碰撞、分子與容器壁間碰撞，遵守能量守恒和動量守恒。8/16/20229分子a與 A1 面碰撞是完全彈性的3.理想氣體壓強(qiáng)公式的推導(dǎo)A1 面給分子的沖量分子給A1 面的沖量所用時(shí)間分子a 1 秒鐘內(nèi)，分子a 與 A1 面碰撞的次數(shù)不變速度分量8

6、/16/202210 1 秒鐘內(nèi)，一個分子給A1面的沖量 1 秒鐘內(nèi),全部分子對 A1 面的總沖量 1 秒鐘內(nèi)，全部分子對 A1 面的平均壓力返98/16/202211分子的平均平動動能 （3）在壓強(qiáng)公式推導(dǎo)中，我們忽略了分子間的碰撞以及分子間、分子與容器壁間的相互作用。如果考慮這些因素，上述結(jié)果仍然成立。（4）對任意形狀的容器，上述結(jié)果仍然成立。（2）由于n、 都是統(tǒng)計(jì)平均值，所以壓強(qiáng)具有統(tǒng)計(jì)意義。 （5）分子物理學(xué)處理問題的方法單個分子的運(yùn)動服從牛頓力學(xué)幾點(diǎn)說明：大量分子的運(yùn)動服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律(1) 壓強(qiáng)的實(shí)質(zhì)氣體的壓強(qiáng)是大量氣體分子與器壁碰撞的宏觀效果。8/16/202212溫度是分子平均平

7、動動能的量度三、理想氣體的溫度壓強(qiáng)公式2.溫度公式狀態(tài)方程1.理想氣體分子平均平動動能與溫度的關(guān)系氣體分子的方均根速率與氣體的種類和絕對溫度有關(guān)。3.氣體分子的方均根速率溫度是分子熱運(yùn)動激烈程度的量度8/16/202213四、 理想氣體的內(nèi)能1.自由度確定一個物體在空間位置所需獨(dú)立坐標(biāo)的數(shù)目剛性氣體分子 的自由度(1) 單原子分子（平動）(2) 雙原子分子（平動）（轉(zhuǎn)動）只有平動、轉(zhuǎn)動，沒有振動(3) 三原子以上多原子分子（平動）（轉(zhuǎn)動）8/16/2022142.能量按自由度均分原理 在溫度為T的平衡態(tài)下，氣體分子的每一個自由度上都均勻分配 的平均動能。分子的每一個平動自由度對應(yīng)一份相同的能量

8、（1）原理內(nèi)容（2）一個分子的平均總動能（3）一個分子的平均總能量8/16/2022153 理想氣體的內(nèi)能氣體中所有分子動能的總和（無勢能）(1) 一個氣體分子 的平均總能量(2) 一摩爾氣體內(nèi)能(3) Mkg 氣體的內(nèi)能 理想氣體的內(nèi)能只是溫度的單值 函數(shù)，其內(nèi)能增量與過程無關(guān)， 只與始末狀態(tài)有關(guān)。8/16/202216例1：已知單原子分子理想氣體求: (1)氣體的壓強(qiáng); (2) 氣體的總能量; (3) 氣體的溫度。解：(1) (2) (3) 8/16/202217例3：(1) 內(nèi)能必相等;（ ）兩種理想氣體溫度相同，則:(2) 分子的平均動能必相等(3) 分子的平均平動動能必相等（ ）（ ）例2：求在多高的溫度下，理想氣體分子的平均平動動能等于1ev解：8/16/202218一、 理想氣體的狀態(tài)方程(1) 氣體質(zhì)量一定時(shí)(2) 常用形式(3) 分子數(shù)密度n表示小結(jié)二、 理想氣體的壓強(qiáng)公式三、理想氣體的溫度公式氣體分子的方均根速率8/16/202219四、