第一章分子的熱運動：微觀世界的脈動第二章溫度與分子平均動能第三章氣體分子速率分布律第四章液體的表面現(xiàn)象第五章固體的結構與熱容第六章液晶與超導：特殊熱運動態(tài)01第一章分子的熱運動：微觀世界的脈動第1頁：引言——布朗運動的啟示微觀世界的宏觀證據(jù)布朗運動的發(fā)現(xiàn)與解釋花粉顆粒的運動機制顯微鏡下的隨機跳動現(xiàn)象水分子的無規(guī)則碰撞分子尺度下的能量傳遞引入核心問題微觀運動與宏觀性質(zhì)的關系實驗條件與測量花粉直徑、位移與溫度依賴性理論推演從單個顆粒運動到群體行為的統(tǒng)計解釋第2頁：分子動理論的基本假設物質(zhì)的微觀組成分子間空隙與數(shù)量級概念分子的無規(guī)則運動溫度與運動劇烈程度的關系分子間相互作用力引力的量子化描述理想氣體模型分子碰撞與能量均分定理實驗驗證氣體擴散與分子速率測量理論推演分子動理論對布朗運動的解釋第3頁：分子熱運動的定量分析分子平均平動動能溫度與動能的線性關系麥克斯韋速率分布不同速率分子的概率密度函數(shù)分子質(zhì)量對分布的影響氫氣與氧氣的速率對比實驗驗證氣體分子束實驗與速率分布擬合理論推演從玻爾茲曼分布到麥克斯韋分布的過渡應用實例速率分布對氣體擴散的預測第4頁：分子力與勢能曲線分子間作用力的雙峰特性斥力與引力的相互作用勢能曲線的數(shù)學描述Lennard-Jones勢能函數(shù)分子間距與作用力關系勢能曲線的斜率與分子運動相變過程中的勢能變化熔化與汽化的分子尺度解釋實驗驗證分子間作用力顯微鏡測量理論推演從經(jīng)典力學到量子力學的過渡02第二章溫度與分子平均動能第5頁：溫度的微觀本質(zhì)溫度的絕對標度開爾文溫度與分子動能的關系查理定律的微觀解釋氣體體積與分子平均速率的關系分子動能的統(tǒng)計分布麥克斯韋分布的溫度依賴性實驗驗證氣體溫度計與分子速率測量理論推演從玻爾茲曼分布到溫度的統(tǒng)計意義應用實例溫度對物質(zhì)相態(tài)的影響第6頁：理想氣體的內(nèi)能理想氣體的分子模型無相互作用力的分子系統(tǒng)內(nèi)能與分子動能的關系單原子與雙原子氣體的內(nèi)能計算摩爾內(nèi)能與溫度的關系杜隆-珀蒂定律的溫度依賴性實驗驗證焦耳實驗與理想氣體內(nèi)能測量理論推演從能量均分定理到理想氣體內(nèi)能應用實例理想氣體在低溫下的內(nèi)能變化第7頁：真實氣體的偏差真實氣體的分子間作用力范德華方程的修正項分子間距與相互作用力分子力勢能曲線的修正真實氣體的溫度依賴性范德華常數(shù)a與溫度的關系實驗驗證真實氣體在高壓下的行為測量理論推演從理想氣體到真實氣體的過渡應用實例真實氣體在低溫下的相變行為第8頁：溫度測量的分子基礎氣體溫度計的設計原理理想氣體壓強與溫度的線性關系開爾文溫標的定義絕對零度與理想氣體行為分子熱力學第三定律絕對零度不可達的微觀解釋實驗驗證低溫技術中的溫度測量理論推演從氣體溫度計到絕對溫標的過渡應用實例超低溫技術在材料科學中的應用03第三章氣體分子速率分布律第9頁：麥克斯韋分布的實驗驗證氣體擴散的實驗設計格雷厄姆擴散實驗的原理分子速率分布的統(tǒng)計意義麥克斯韋分布的概率密度函數(shù)實驗數(shù)據(jù)與理論對比不同氣體在相同溫度下的擴散速率實驗驗證氣體分子束實驗與速率分布擬合理論推演從麥克斯韋分布到分子動理論的驗證應用實例氣體分離技術在工業(yè)中的應用第10頁：分位數(shù)與溫度依賴性分子速率的分位數(shù)定義中值、眾數(shù)與均方根速率的計算溫度對分位數(shù)的影響高溫與低溫下分子速率分布的變化實驗數(shù)據(jù)與理論對比不同溫度下氣體分子速率的測量實驗驗證氣體分子束實驗與速率分布擬合理論推演從麥克斯韋分布到分子動理論的驗證應用實例氣體分離技術在工業(yè)中的應用第11頁：非麥克斯韋分布的實例非麥克斯韋分布的實例高溫氣體與等離子體的速率分布電離對分子運動的影響等離子體中電子與離子的速率分布實驗數(shù)據(jù)與理論對比高溫氣體與等離子體的速率測量實驗驗證高溫氣體與等離子體的分子束實驗理論推演從麥克斯韋分布到非麥克斯韋分布的過渡應用實例高溫氣體在核聚變中的應用第12頁：速率分布的應用氣體散射的量子解釋瑞利散射與分子速率分布的關系氣體擴散的統(tǒng)計模型擴散系數(shù)與分子速率的關系實驗數(shù)據(jù)與理論對比不同氣體在相同條件下的擴散速率實驗驗證氣體擴散實驗與速率分布擬合理論推演從麥克斯韋分布到氣體輸運現(xiàn)象的過渡應用實例氣體擴散在分離技術中的應用04第四章液體的表面現(xiàn)象第13頁：表面張力：微觀解釋表面張力的微觀機制分子力不均衡與表面能最小化表面張力的實驗現(xiàn)象水滴在荷葉上的球狀形態(tài)表面張力系數(shù)的計算表面張力系數(shù)與表面能的關系實驗驗證表面張力系數(shù)的測量方法理論推演從分子力到表面張力的過渡應用實例表面張力在洗潔精中的作用第14頁：毛細現(xiàn)象與潤濕性毛細現(xiàn)象的微觀解釋分子力與表面張力對液體升降的影響楊氏方程的物理意義接觸角與表面張力系數(shù)的關系毛細現(xiàn)象的實驗現(xiàn)象水在玻璃管中的上升與水銀的下降實驗驗證毛細現(xiàn)象的測量方法理論推演從分子力到毛細現(xiàn)象的過渡應用實例毛細現(xiàn)象在植物中的水分運輸?shù)?5頁：表面能的計算與應用表面能的計算方法表面能與表面面積的關系表面能在泡沫材料中的應用泡沫材料的表面能降低與穩(wěn)定性表面能的動態(tài)變化表面更新的速率與機制實驗驗證表面能測量的實驗方法理論推演從表面能到表面更新的過渡應用實例表面能在材料科學中的應用第16頁：表面活性劑的作用表面活性劑的雙親結構親水基與疏水基的分子排列表面活性劑降低表面張力的機制親水基與疏水基的相互作用表面活性劑在洗潔精中的作用表面活性劑對污漬的剝離機制實驗驗證表面活性劑對表面張力的影響理論推演從表面活性劑到表面張力降低的過渡應用實例表面活性劑在工業(yè)清洗中的應用05第五章固體的結構與熱容第17頁：晶體結構與分子勢能晶體結構的X射線衍射驗證晶體周期性的實驗證明分子勢能曲線的解析分子間距與勢能的關系分子勢能曲線的實驗測量X射線衍射與分子間距的測量實驗驗證晶體結構的X射線衍射實驗理論推演從分子勢能到晶體結構的過渡應用實例晶體結構在材料科學中的應用第18頁：熱容的統(tǒng)計模型杜隆-珀蒂定律的微觀解釋單原子與雙原子氣體的熱容計算德拜模型的溫度依賴性低溫與高溫下的熱容變化實驗數(shù)據(jù)與理論對比不同溫度下固體的熱容測量實驗驗證固體熱容的測量方法理論推演從杜隆-珀蒂定律到德拜模型的過渡應用實例固體熱容在材料科學中的應用第19頁：相變與潛熱相變的微觀解釋分子勢能曲線的相變點相變過程中的能量吸收潛熱與分子勢能的變化相變的實驗現(xiàn)象冰的熔化與水的汽化實驗驗證相變的能量測量理論推演從相變到潛熱的過渡應用實例相變在材料科學中的應用第20頁：固體缺陷與熱導率晶格缺陷的類型點缺陷、線缺陷與面缺陷晶格缺陷對熱導率的影響聲子散射與熱導率的關系實驗數(shù)據(jù)與理論對比不同缺陷濃度下的熱導率測量實驗驗證晶格缺陷的熱導率測量理論推演從晶格缺陷到熱導率的過渡應用實例晶格缺陷在材料科學中的應用06第六章液晶與超導：特殊熱運動態(tài)第21頁：液晶的熱力學特性液晶的分子結構向列相與螺旋相液晶液晶的介電各向異性電場對液晶分子排列的影響液晶的實驗現(xiàn)象液晶顯示器的工作原理實驗驗證液晶的介電各向異性測量理論推演從液晶分子排列到介電各向異性的過渡應用實例液晶在顯示器中的應用第22頁：超導態(tài)的量子特性超導態(tài)的量子特性BCS理論的解釋超導電子對的分子運動聲子交換與電子配對超導態(tài)的實驗現(xiàn)象超導體的零電阻特性實驗驗證超導態(tài)的實驗測量理論推演從BCS理論到超導態(tài)的過渡應用實例超導在磁懸浮中的應用第23頁：準晶體與分子運動新態(tài)準晶體的結構特點五重對稱性與分子排列準晶體中的分子運動旋轉(zhuǎn)角動量量子化準晶體的實驗現(xiàn)象準晶體的結構穩(wěn)定性實驗驗證準晶體的結構測量理論推演從準晶體到分子運動的過渡應用實例準晶體在材料科學中的應用第24頁：分子熱運動態(tài)的統(tǒng)一描述分子熱運動態(tài)的共性統(tǒng)計力學與量子力學的統(tǒng)一描述量子調(diào)控方向分子束外延技術分子熱運動態(tài)的應用材料科學中的量子調(diào)控實驗驗證分子熱運動態(tài)的實驗測量理論推演從統(tǒng)計力學到量子力學的過渡應用實例量子材料的設計與制備總結《高中高二物理分子的熱運動講義》通過分子動理論、溫度