大学物理第五章-新.ppt

吉林大学 物理教学中心 第五章 气体动理论 热 学 概 述 5.1 热运动的基本概念 理想气体 气体的状态参量： ? 热力学第零定律 ? 热力学第三定律 5.1.3 理想气体状态方程 （equation of state of ideal gas） ? 理想气体状态方程 5.2 气体分子热运动的分布规律 5.2.2 麦克斯韦气体分子的速率分布律 ? f (u)的物理意义: 二、麦克斯韦速率分布函数 三、三种特征速率 （2）平均速率 注 意： 5.2.3 玻尔兹曼能量分布 设温度保持不变，积分后得出 二、玻耳兹曼能量分布律 在热平衡状态下，在 5.3 压强公式 压强的统计意义 5.3.3 温度的微观实质 5.4 自由度 能量均分定理 二、分子的自由度 5.4.2　能量按自由度均分定理 例5.2 5.5 分子碰撞 平均自由程 6 压强P为 说 明： １、适用于理想气体、平衡态。 n大,说明大量气体分子每秒与器壁碰撞频繁, 大，说明每次碰撞对器壁的冲击力大 2、建立了宏观量P与微观量的联系，揭示 了宏观量的微观实质. 3、压强只具有统计意义,与容器的大小及形状无关,离开了“大量分子”和“统计平均”, 压强便失去意义。 由理想气体的压强公式，与理想气体状态方程 比较，可以得到如下公式 即平衡态下理想气体的平动动能与温度的关系式。 ? 上式说明气体分子的平均平动动能惟一由温度决定，并与热力学温度成正比。 ? 揭示了温度的微观实质是：气体内部大量分子无规则热运动剧烈程度的度量。 ① 温度是描述热力学系统平衡态的一个物理量。 ② 温度是一个统计概念。对于单个分子没有意义。 应当明确： 5.4.1 自由度 (Degree of Freeddom) 决定物体空间位置需要的独立坐标数目。 一、刚体的自由度 一般运动刚体自由度是6个： （1）质心平动自由度3个； （2）绕质心轴转动自由度3个; 转轴空间方位2个（a、b ）+ 绕轴转动1个（q） x z y o c ? y z ? ? ? x （x、y、z） 由约束关系 a、b、g 只有两个独立。 （1）单原子分子＝自由质点 （2）双原子分子＝自由细杆 —— 3个平动自由度 单原子分子 双原子分子 —— 3个平动自由度＋2个转动自由度 （3）多原子分子＝自由刚体 多原子分子 —— 3个平动自由度＋3个转动自由度 ? 对非刚性分子，还有振动自由度。 对刚性分子，与组成原子数目有关。 气体分子的平均平动动能表示为 由 得出每个自由度分得的平均平动动能为 在平衡态下，每个平动自由度都均分到 的平均动能。 在温度为T的平衡态下，分子任一种运动形式的每一个自由度都具有kT/2的能量。 ——能量按自由度均分定理 * 热学（heat）：研究物质热现象及热运动规律的学科。 研究对象：由大量分子、原子组成的物体或物体系的热运动形态，以及热运动和其它运动形态之间的转化规律。 研究方法： 热力学 (thermodynamics)：根据对宏观热现象的直接观察和试验，总结得出所遵从的规律； 气体动理论(kinetic theory of gasas)：通过微观粒子运动与宏观热现象之间的内在联系，研究宏观物体的热性质，揭示热现象的微观本质。 5.1.1 气体动理论的基本观点 （1）宏观物体是由大量微粒子（分子或原子）组成。 （2）物体内的分子处在无规则的热运动中，其激烈程度与物体的温度有关。 （3）分子间存在一定的作用力。 二、统计平均值和平衡态 1、算术平均值 2、统计平均值 系统宏观量是相应微观量统计平均值。 3、平衡态 一个系统在不受外界影响的条件下，如果它的宏观性质不再随时间变化，我们就说这个系统处于热力学平衡态。平衡态是系统宏观状态的一种特殊情况。 非平衡态 平衡态 说明：１）理想状态。２）动态平衡。 （1）体积V（volume）：通常是指组成系统的分子活动的范围。也就是盛气体容器的容积。与气体本身体积总和是完全不同的。 单位：米3（m3） （2）压强P（pressure）：是指气体对容器壁单位面积上产生的垂直压力，与分子热运动的频繁程度和剧烈程度有关。 单位：帕斯卡（Pa） （3）温度T（temperature）：宏观上表现为冷热程度，而微观上它表示的是分子热运动的剧烈程度。 科学的温度概念是建立在热平衡概念的基础上的。 单位：热力学温标——开尔文（K） 系统从一个热力学状态变化到另一个状态 ,称为热力学过程。 热力学过程 准静态过程 系统的每一状态都无限接近于平衡态的过程。或者说是由一系列平衡态组成的过程. 准静态过程是无