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1、第四章 气体动理论,4-0 第四章教学基本要求,4-1 宏观与微观 统计规律,4-2 理想气体的压强与温度,4-3 能量均分定理 理想气体的内能,4-0 第四章教学基本要求,4-4 麦克斯韦速率分布律 *玻耳兹曼能量分布律,第四章 气体动理论,教学基本要求,一、了解气体分子热运动图像, 了解微观描述与宏观描述的区别和联系.,二、理解平衡态的概念和理想气体的物态方程 .,三、理解理想气体的压强公式和温度公式. 通过推导压强公式,了解提出模型、统计平均、建立宏观量与微观量的联系到阐明宏观量的微观本质的思想和方法，从而初步建立统计概念，能从宏观和统计意义上理解压强、温度和内能的概念.,四、通过建立理
2、想气体的刚性分子模型，理解气体分子平均能量按自由度均分定理，并会用于计算理想气体的内能.,五、了解麦克斯韦速率分布律及分布函数和速率分布曲线的物理意义，了解气体分子热运动的三种统计速率.,*六、了解玻耳兹曼能量分布律及其统计意义.,4-1 宏观与微观 统计规律,预习要点 什么是宏观量？什么是微观量？系统的宏观量和微观量之间有什么关系？ 什么是统计规律？ 它对个别或少量事件成立吗? 什么是平衡态？它与力学中的平衡概念有何不同？,2. 气体分子热运动的图象,1. 热力学系统 热学研究的对象，通常是由大量微观粒子组成的系统.,一、宏观与微观,（1）分子数巨大，标准状态下任何气体,3. 宏观量,实测的
3、物理量, 反映大量分子的集体特征. 如压强p、体积V和温度T等.,（2）分子频繁碰撞，每秒内的平均碰撞次数约为数 10亿次.,（3）分子的位置和速度瞬息万变，无法预测. 只能用统计方法寻找大量分子整体所遵循的规律性.,4. 微观量 描述组成系统的单个粒子（分子、原子或其他粒子）性质和状态的物理量, 如质量、动量、能量等.,5. 平衡态和非平衡态,一个系统若和外界无能量交换，其内部也无能量交换，经过足够长的时间后系统达到一个宏观性质不随时间变化的状态, 即为平衡态，否则为非平衡态. 热平衡时，系统内分子的热运动不会停息，因此热平衡是一种动态平衡.,二、统计规律,大量偶然事件整体所遵守的规律为统计
4、规律，对个别或少量事件不成立. 宏观系统的热现象及其规律就是它所包含的大量分子热运动的统计规律性表现.,1. 统计规律,2. 宏观量和微观量的关系,宏观量是大量分子微观量的统计平均值，体现统计规律. 实测值与统计平均值会存在一定偏差，称为涨落. 分子数越多，涨落越小.,对大量无规则的事件进行统计，其满足一定的规律性，事件的次数越多，规律性也越强，用“概率”来表示.,（1）定义: 某一事件i发生的概率Pi,3. 概率,Ni -事件i发生的次数,N -各种事件在相同条件下发生的总次数,（2）概率的性质,（归一化条件）,三、理想气体的物态方程,实验表明，对质量为m，摩尔质量为M的理想气体系统，在平衡
5、态下遵从方程,式中对质量一定的理想气体，,（1）T一定，pV=常量 玻意耳定律,（2）p一定，V/T=常量 盖吕萨克定律,（3）V一定，p/T=常量 查理定律,4-2 理想气体的压强和温度,预习要点 理想气体的微观模型是怎样的? 推导压强公式时, 哪些地方用到这一模型? 注意理想气体压强公式推导的条件、思路和方法. 推导中哪些地方用到了统计假设? 假设的内容是什么? 理想气体压强和温度这两个宏观量与哪些微观量的统计平均值有关? 如何理解这两个宏观量的微观本质? 为什么说理想气体的压强和温度这两个概念仅具有统计意义?,一、理想气体的微观模型,（1） 分子可视为质点； 线度 间距,（2） 除碰撞瞬
6、间, 分子间及分子与器壁之间均无相互作用力；,（3 ）分子之间以及分子与器壁之间是完全弹性碰撞.,即理想气体分子像一个个极小的彼此间无相互作用的遵守经典力学的弹性质点.,二、关于气体分子集体的统计假设,其中，N 表示容器体积V内的分子总数，n是分子数密度.,2. 分子速度在各方向分量的算术平均值相等.,1. 分子按位置的分布是均匀的,同样有,由于分子沿x轴正向和x轴负向的运动概率是相同的，因此，在x方向上分子的平均速度为0.,即,3. 分子速度在各方向分量的方均值相等.,同理，分子速度在y、z方向的方均值为,由于分子在x、y、z三个方向上没有哪个方向的运动占优势，所以，分子的三个速度方均值相等
7、.,由矢量合成法则，分子速度的方均值为,各方向运动概率均等,三、理想气体压强公式,分子数密度n：单位体积内的分子数,设长方形容器的边长分别为x、y、z. 体积为V，其内有N个分子，分子的质量为m，视为弹性小球，速度为 .,1.跟踪第i个分子，它在某一时刻的速度 在x方向的分量为 .,由牛顿第三定律，A1面受到分子的冲量为,3.分子与A2面发生碰撞后，又与A1面发生碰撞，相继两次对A1面碰撞所用的时间为,单位时间内对A1面的碰撞次数为,2.分子以 向A1面碰撞，并以 弹回，分子受A1面的冲量为,4.单位时间一个分子对A1面的冲量（即平均冲力）为,5.容器内N个分子对器壁的平均冲力为,6.A1面受
8、到的压强为,体积V为,则压强,上下同乘N 得压强,由,和,得压强公式：,定义分子平均平动动能：,压强公式又可表示为,1.压强是大量分子对时间和面积的统计平均结果. 压强具有统计意义，即它对于大量气体分子才有明确的意义.,2.压强公式建立起宏观量压强p与微观气体分子运动之间的关系.,4.压强的物理意义,四、理想气体的温度,理想气体压强公式,理想气体物态方程,理想气体分子平均平动动能只和温度有关，并且与热力学温度成正比.,1. 温度公式,2. 温度的微观意义,热力学温度是分子平均平动动能的量度. 温度反映了物体内部分子无规则运动的激烈程度.,3. 温度的统计意义,在同一温度下，各种气体分子平均平动
9、动能均相等. 其已为比林实验间接证实.,温度是对大量分子热运动的统计平均结果，对个别分子温度无意义.,由,5. 方均根速率,例：求273K时的氧气方均根速率.,解：,例：贮于体积为10-3m3容器中的某种气体分子总数N=1023，每个分子的质量为 ，分子的方均根速率为 . 求气体的压强和气体分子的总平动动能及气体的温度.,解:,代入数值，气体的压强为,由,气体分子的总平动动能,气体的温度，由,4-3 能量均分定理 理想气体的内能,预习要点 什么是自由度? 单原子和刚性双原子分子的自由度各是多少? 什么是能量均分定理? 为什么平衡态时物质分子的能量会按自由度均分? 注意理想气体内能的概念、公式及
10、其特点.,一、气体分子的自由度,1. 自由度,2. 气体分子的自由度数目,刚性气体分子的自由度=平动自由度+转动自由度,（1）单原子分子气体,其模型可用一个质点来代替.,平动自由度,转动自由度,总自由度,自由度是描写物体在空间位置所需的独立坐标数.,（2）双原子分子气体,其模型可用看成一根刚性杆两端各连一质点的模型来代替.,平动自由度,转动自由度,总自由度,（3）多原子分子气体,其模型可用多个刚性质点来代替.,平动自由度,转动自由度,总自由度,二、能量按自由度均分定理,可见，在温度为T的平衡态下，气体分子每个自由度的平均动能都相等，而且等于kT/2.,由,得,由于气体分子频繁碰撞，在平衡态下，
11、不可能有哪种运动形式和在哪个自由度上运动占优势，每个自由度上应分配有和每个自由度平动动能相等的平均动能.,能量均分定理：在温度为T的平衡态下，物质分子的任何一个自由度上分配有kT/2的平均动能，对有i个自由度的气体分子，其平均动能为 .,三、理想气体的内能,一个分子的能量为,1 mol气体分子的能量为,定义：气体内部所有分子的动能和分子间的相互作用势能的总和称为气体的内能.,对于理想气体，分子之间无势能，因此理想气体的内能就是它的所有分子的动能之和.,质量为m 的气体的能量为,理想气体的内能只是温度的单值函数，而且和热力学温度成正比，也是状态函数.,对于一定量的理想气体，当温度改变 时，内能的
12、改变量为,无论经由什么过程，只要温度变化相同，一定量的理想气体的内能变化就相同.,4-4 麦克斯韦速率分布律 *玻尔兹曼能量分布律,2. 什么是气体分子的最概然速率、平均速率及方均根速率? 它们的计算公式是什么？,预习要点,*3. 玻尔兹曼能量分布律的基本结论是什么？,一、麦克斯韦速率分布律,大量分子速度分布遵循的统计规律叫麦克斯韦速度分布律，只考虑分子速率的分布的规律叫麦克斯韦速率分布律.,1. 分子速率分布的实验结果图（典型实验为施特恩实验）,2. 分布函数,为速率在 区间的分子数.,表示速率在 区间的分子数占总数的百分比 .,表示速率在 区间的分子数占总分子数的百分比 .,3. 分布函数
13、的意义,表示在温度为 的平衡状态下，速率在 附近单位速率区间的分子数占总数的百分比.,麦氏分布函数,4. 麦克斯韦气体速率分布律,5. 麦克斯韦气体速率分布曲线,4）归一化条件,（1） 可取从 的可能速率；,（2）具有等速率的分子数占气体分子总数的百分比很大，而较大和较小速率的分子数占分子总数的百分比较小；,即一个分子速率取任意数值的概率为100%.,二、 三种统计速率,1. 最概然速率,分子出现概率最大时对应的速率，即求 的极大值对应的速率.,2. 平均速率,3. 方均根速率,温度升高时, 最概然速率增大, 分布曲线向速率大的方向移动；由于曲线下面的面积恒等于1, 此时, 分布曲线的高度下降.,温度相同，摩尔质量较小的，其 较大，分布曲线右移，高度下降，变得平坦 .,*三、 玻耳兹曼能量分布,例如，考虑大气中分子的分布时，能量E中就应包含势能项 . 并且，除考虑与动能有关的速度区间外，还应考虑与位置有关的坐标区间.,玻耳兹曼分布律是一条经典统计规律，它表明，在平衡态下，能量越高的粒子数越少.,大气中越高的地方分子密度越小就是一个实例.,玻耳兹曼提出，分布在 和速度区间 内的气体分子数为,此即玻耳兹曼分布律. 式中n0是 处的分子数密度.,