分子物理學基礎第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日

一能從宏觀和統(tǒng)計意義上理解壓強、溫度等概念。了解了解系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)是微觀運動的統(tǒng)計表現(xiàn)，了解統(tǒng)計方法。

二

掌握分子平均能量按自由度均分原理，會計算理想氣體的內(nèi)能。教學基本要求

三

理解麥克斯韋速度分布律、速率分布函數(shù)曲線的物理意義，理解“三種速率”的意義和求法，了解玻爾茲曼能量分布律。四

了解物質(zhì)中三種遷移現(xiàn)象的概念、宏觀規(guī)律等。五

了解液體的表面現(xiàn)象。第四章分子物理學基礎第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日2氣體的物態(tài)參量（宏觀量）一、熱力學系統(tǒng)1系統(tǒng)與環(huán)境第一節(jié)理想氣體的壓強和溫度3平衡態(tài)一定量的氣體，在不受外界的影響下,經(jīng)過一定的時間,系統(tǒng)達到一個穩(wěn)定的,宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)稱為平衡態(tài).（理想狀態(tài)）真空膨脹氣體壓強體積

溫度第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日平衡態(tài)的特點*1）單一性（處處相等）;2）物態(tài)的穩(wěn)定性——與時間無關；3）自發(fā)過程的終點；4）熱動平衡（有別于力平衡）.第一節(jié)理想氣體的壓強和溫度第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日物態(tài)方程：理想氣體平衡態(tài)宏觀參量間的函數(shù)關系.摩爾氣體常量對一定質(zhì)量的同種氣體理想氣體物態(tài)方程理想氣體宏觀定義：遵守三個實驗定律的氣體.理想氣體物態(tài)方程第一節(jié)理想氣體的壓強和溫度第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)理想氣體的壓強和溫度二、理想氣體的微觀模型

1分子可視為質(zhì)點；

線度間距

；2除碰撞瞬間,分子間無相互作用力；4分子的運動遵從經(jīng)典力學的規(guī)律3彈性質(zhì)點（碰撞均為完全彈性碰撞）；第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日2）分子各方向運動概率均等分子運動速度熱動平衡的統(tǒng)計假設：1）分子按位置的分布是均勻的第一節(jié)理想氣體的壓強和溫度各方向運動概率均等

方向速度平方的平均值第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日三、理想氣體的壓強公式第一節(jié)理想氣體的壓強和溫度單個分子對器壁的沖量：單個分子在時間內(nèi)對器壁的沖量：設邊長為的立方體中有

N

個全同的質(zhì)量為m

的氣體分子，推導壁面所受壓強.N

個分子對器壁的平均沖力：氣體壓強第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日

統(tǒng)計關系式壓強的物理意義宏觀可測量量微觀量的統(tǒng)計平均值壓強的微觀實質(zhì)。壓強是大量分子對時間、對面積的統(tǒng)計平均結(jié)果。壓強公式不能直接用實驗驗證。分子平均平動動能第一節(jié)理想氣體的壓強和溫度第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日玻爾茲曼常數(shù)宏觀可測量量微觀量的統(tǒng)計平均值分子平均平動動能第一節(jié)理想氣體的壓強和溫度四、理想氣體的溫度阿伏伽德羅定律溫度T的物理意義：1）溫度是分子平均平動動能的量度；2）溫度是大量分子的集體表現(xiàn)，個別分子無意義。3）同一溫度下，各種氣體分子平均平動動能均相等。第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日（A）溫度相同、壓強相同。（B）溫度、壓強都不同。（C）溫度相同，但氦氣的壓強大于氮氣的壓強.（D）溫度相同，但氦氣的壓強小于氮氣的壓強.解

一瓶氦氣和一瓶氮氣密度相同，分子平均平動動能相同，而且它們都處于平衡狀態(tài)，則它們討論第一節(jié)理想氣體的壓強和溫度第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日

例

理想氣體體積為V，壓強為p，溫度為T,一個分子的質(zhì)量為m，k為玻爾茲曼常量，R為摩爾氣體常量，則該理想氣體的分子數(shù)為：（A）（B）（C）（D）解第一節(jié)理想氣體的壓強和溫度第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日一、自由度數(shù)第二節(jié)能量按自由度均分原理決定一個物體空間位置所需要的獨立坐標數(shù)。

單原子分子單原子分子的平均能量第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日

剛性雙原子分子分子平均平動動能分子平均轉(zhuǎn)動動能第二節(jié)能量按自由度均分原理第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日分子平均振動能量分子平均能量非剛性分子平均能量*C

非剛性雙原子分子第二節(jié)能量按自由度均分原理第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日自由度數(shù)目平動轉(zhuǎn)動振動單原子分子

303雙原子分子325多原子分子336剛性分子能量自由度分子自由度平動轉(zhuǎn)動總第二節(jié)能量按自由度均分原理第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日三理想氣體的內(nèi)能理想氣體的內(nèi)能：分子動能和分子內(nèi)原子間的勢能之和.1mol理想氣體的內(nèi)能

二能量均分定理（玻爾茲曼假設）

氣體處于平衡態(tài)時，分子任何一個自由度的平均能量都相等，均為，這就是能量按自由度均分定理.分子的平均能量第二節(jié)能量按自由度均分原理第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日理想氣體的內(nèi)能理想氣體內(nèi)能變化

定容摩爾熱容定壓摩爾熱容摩爾熱容比

第二節(jié)能量按自由度均分原理例題：4-2第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日實驗裝置一測定氣體分子速率分布的實驗金屬蒸汽顯示屏狹縫接抽氣泵第三節(jié)分子的速率第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日分子速率分布圖：分子總數(shù)為速率在區(qū)間的分子數(shù).表示速率在區(qū)間的分子數(shù)占總數(shù)的百分比.第三節(jié)分子的速率第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日分布函數(shù)表示速率在區(qū)間的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比.歸一化條件

表示在溫度為的平衡狀態(tài)下，速率在

附近單位速率區(qū)間的分子數(shù)占總數(shù)的百分比.物理意義第三節(jié)分子的速率第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日速率位于內(nèi)分子數(shù)速率位于區(qū)間的分子數(shù)速率位于區(qū)間的分子數(shù)占總數(shù)的百分比第三節(jié)分子的速率第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日麥氏分布函數(shù)二麥克斯韋氣體速率分布定律

反映理想氣體在熱動平衡條件下，各速率區(qū)間分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比的規(guī)律.第三節(jié)分子的速率第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日三三種統(tǒng)計速率1）最概然速率根據(jù)分布函數(shù)求得氣體在一定溫度下分布在最概然速率附近單位速率間隔內(nèi)的相對分子數(shù)最多.物理意義第三節(jié)分子的速率第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日2）平均速率第三節(jié)分子的速率第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日3）方均根速率第三節(jié)分子的速率第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日同一溫度下不同氣體的速率分布N2分子在不同溫度下的速率分布第三節(jié)分子的速率第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日討論

麥克斯韋速率分布中最概然速率的概念下面哪種表述正確？（A）是氣體分子中大部分分子所具有的速率.（B）是速率最大的速度值.（C）是麥克斯韋速率分布函數(shù)的最大值.（D）速率大小與最概然速率相近的氣體分子的比率最大.第三節(jié)分子的速率第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日

例計算在時，氫氣和氧氣分子的方均根速率.氫氣分子氧氣分子第三節(jié)分子的速率第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日1）2）

例已知分子數(shù)，分子質(zhì)量，分布函數(shù)求1）速率在間的分子數(shù)；2）速率在間所有分子動能之和.速率在間的分子數(shù)第三節(jié)分子的速率第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日例

如圖示兩條曲線分別表示氫氣和氧氣在同一溫度下的麥克斯韋速率分布曲線，從圖上數(shù)據(jù)求出氫氣和氧氣的最可幾速率.2000第三節(jié)分子的速率第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日在許多實際問題中，氣體常處于非平衡狀態(tài)，氣體內(nèi)各部分的溫度或壓強不相等，或各氣體層之間有相對運動等，這時氣體內(nèi)將有能量、質(zhì)量或動量從一部分向另一部分定向遷移，這就是非平衡態(tài)下氣體的遷移現(xiàn)象.粘滯現(xiàn)象氣體中各層間有相對運動時,各層氣體流動速度不同,氣體層間存在粘滯力的相互作用.第四節(jié)物質(zhì)中的遷移現(xiàn)象第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日氣體層間的粘滯力氣體粘滯現(xiàn)象的微觀本質(zhì)是分子定向運動動量的遷移,而這種遷移是通過氣體分子無規(guī)熱運動來實現(xiàn)的.AB為粘度（粘性系數(shù)）第四節(jié)物質(zhì)中的遷移現(xiàn)象第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日二熱傳導現(xiàn)象AB**設氣體各氣層間無相對運動,且各處氣體分子數(shù)密度均相同,但氣體內(nèi)由于存在溫度差而產(chǎn)生熱量從溫度高的區(qū)域向溫度低的區(qū)域傳遞的現(xiàn)象叫作熱傳導現(xiàn)象.氣體熱傳導現(xiàn)象的微觀本質(zhì)是分子熱運動能量的定向遷移,而這種遷移是通過氣體分子無規(guī)熱運動來實現(xiàn)的.稱為熱導率第四節(jié)物質(zhì)中的遷移現(xiàn)象第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日AB**三擴散現(xiàn)象自然界氣體的擴散現(xiàn)象是常見的現(xiàn)象,容器中不同氣體間的互相滲透稱為互擴散;同種氣體因分子數(shù)密度不同,溫度不同或各層間存在相對運動所產(chǎn)生的擴散現(xiàn)象稱為自擴散.為擴散系數(shù)第四節(jié)物質(zhì)中的遷移現(xiàn)象第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日氣體擴散現(xiàn)象的微觀本質(zhì)是氣體分子數(shù)密度的定向遷移,而這種遷移是通過氣體分子無規(guī)熱運動來實現(xiàn)的.AB**四三種遷移系數(shù)擴散系數(shù)熱導率粘度（粘性系數(shù)）第四節(jié)物質(zhì)中的遷移現(xiàn)象第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日第五節(jié)液體的表面現(xiàn)象液體除了具有流體的一般特性外，它還有一個特殊的重要特性,即表面特性。液體與氣體和固體相接觸時都有一界面，處于界面的分子同時受到同種分子以及氣體或固體分子的作用力，因而產(chǎn)生一系列的特殊現(xiàn)象,稱之為液體的表面現(xiàn)象。（Thesurfacephenomenaofliquid）第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日液體的表面如緊張的薄膜,存在著張力,有收縮成表面積最小的趨勢,這種張力稱為表面張力.（一）表面張力(surfacetension)第五節(jié)液體的表面現(xiàn)象一、表面張力和表面能第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日1.分子間的平衡距離r0≈10－10m。2.短程力，有效作用距離d≈10－9m。1.表面張力產(chǎn)生原因a)分子力特點:第五節(jié)液體的表面現(xiàn)象b)模型受力分析:表面層

d

液體表面層分子受到的合力指向液體內(nèi)部，表面處于一種特殊的張緊狀態(tài)，宏觀表現(xiàn)為一個被拉緊的彈性薄膜而具有表面張力。第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日c)實例分析:表面張力是沿著液體的表面與液面相切并且與分界線相垂直的。第五節(jié)液體的表面現(xiàn)象2.表面張力的定義:公式:1）其中表面張力系數(shù),單位：N/m2）表面張力系數(shù)隨溫度、接觸物質(zhì)、液體性質(zhì)的不同而有所不同。第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日表面張力系數(shù)與表面能的關系外力作功表面能增量(二)表面能(surfaceenergy)定義:增加單位液體表面積作的功,稱為該液體的表面能.單位:J/m2第五節(jié)液體的表面現(xiàn)象lo

o

o

o

ABB'CC'DF第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日2.表面非活性物質(zhì)可使溶液表面張力增加的物質(zhì)稱為表面非活性物質(zhì)二、表面活性物質(zhì)與表面吸附表面活性物質(zhì)

溶液的表面張力隨溶質(zhì)而變,可使溶液表面張力減

少的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì).3.表面吸附(surfaceadsorption)

把表面活性物質(zhì)在溶液的表面層聚集并伸展成薄膜的現(xiàn)象稱表面吸附第五節(jié)液體的表面現(xiàn)象第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日4.肺泡內(nèi)表面活性物質(zhì)的生理作用第五節(jié)液體的表面現(xiàn)象第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日液面的附加壓強A

B

P0

P0

P0

P0

Ps+PsPsP0

P0

－Ps三、彎曲液面的附加壓強(一)靜止液面的形式:第五節(jié)液體的表面現(xiàn)象(二)附加壓強在彎曲液面上,由于表面張力,使液面上產(chǎn)生一個額外的壓強。第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日球膜內(nèi)的附加壓強R2

R1

o

Ao

BPco

CPbPa

實例分析1：第五節(jié)液體的表面現(xiàn)象第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日實例分析2：肥皂泡實驗第五節(jié)液體的表面現(xiàn)象第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日氣體栓塞(airembolism)

ppP左

P右

P左

P右

p液柱不動液柱不動液柱開始移動當液體在毛細管中流動時，如果管中出現(xiàn)了氣泡，液體的流動就要受到阻礙，氣泡產(chǎn)生多了，就能堵住毛細管，使液體不能流動，這種現(xiàn)象稱為氣體栓塞現(xiàn)象.第五節(jié)液體的表面現(xiàn)象第47頁，共53頁，2023年，2月20日，星期日氣體栓塞現(xiàn)象實例：1.給病人輸液時,要特別注意不能在注射器中留有氣泡,以免在微血管中發(fā)生栓塞。