大學(xué)物理華科版-第9章PPT演示課件

1、,大學(xué)物理,主講教師：張慶斌,大學(xué)物理課程內(nèi)容：,第五篇 波動光學(xué),第四篇 振動與波動,第六篇 量子物理,（第11章 ）,（第12章-第13章）,（第14章-第17章）,第一篇 力學(xué),第三篇 熱學(xué),第二篇 電磁學(xué),（第1章 - 第5章）,（第9章 - 第10章）,（第6章 - 第8章）,上冊,下冊,答疑時間、地點：,單周一、雙周二,交接作業(yè)時間： 每周二,單周三、雙周四,晚7:30 - 9:30,東九樓A210,西五樓116,第三篇,熱 學(xué),Heat,我國古代，燧人氏鉆木取火以化腥臊，奉為千古圣皇；,熱 學(xué),在古代，“火”與“熱”幾乎是同義詞，熱學(xué)則起源于人類對于熱和冷現(xiàn)象本質(zhì)的追求。,古希臘

2、，普羅米修斯盜天火開罪于主神而澤慧天下，奉為世間英雄。,“熱是人類最早發(fā)現(xiàn)的一種自然力， 是地球一切生命的源泉?！?恩格斯,什么是熱？,金、木、水、火、土,獨立的物質(zhì)元素,這兩種見解都只是直覺的猜測!,元素說,運(yùn)動說,物質(zhì)微粒在虛空中運(yùn)動,物質(zhì)元氣聚散變化的表現(xiàn),什么是熱？,熱是粒子的特殊運(yùn)動,熱是看不見的流質(zhì),摩擦生熱 ,熱傳導(dǎo)、冰融化 ,水沸騰,倫福德爵士,摩擦兩個半小時,22,年時間,40,400,歲開始,次實驗,熱學(xué)是研究物體熱運(yùn)動的性質(zhì)和規(guī)律的學(xué)科,研究方法：,宏觀：實驗的方法,微觀：統(tǒng)計的方法,熱力學(xué)（第10章）,氣體動理論（第9章）,研究內(nèi)容：,大量分子(原子)的無規(guī)則運(yùn)動稱為熱

3、運(yùn)動,熱現(xiàn)象： 是物體中大量分子(原子)無規(guī)則運(yùn)動的集體表現(xiàn),熱 學(xué),從物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動出發(fā)，研究集體效應(yīng),以實驗為基礎(chǔ)，歸納和推理找出功能轉(zhuǎn)換的條件,重點研究理想氣體的熱運(yùn)動,研究對象：,宏觀物體,第三篇,熱 學(xué),Heat,第9章,氣體動理論,第9章 氣體動理論（統(tǒng)計物理）,Kinetic Theory of Gasses,第1節(jié) 熱力學(xué)系統(tǒng)和平衡態(tài),第2節(jié) 理想氣體狀態(tài)方程與微觀模型,第5節(jié) 氣體分子的速度和能量分布,第3節(jié) 理想氣體的壓強(qiáng)和溫度,第4節(jié) 能均分定理 理想氣體的內(nèi)能,第7節(jié) 分子的平均碰撞次數(shù) 平均自由程,第8節(jié) 偏離平衡態(tài),第6節(jié) 范德瓦爾斯方程,一、熱學(xué)系統(tǒng)與平衡

4、態(tài),二、對理想氣體的基本描述,三、能量均分定理 理想氣體的內(nèi)能,四、麥克斯韋分子按速率分布定律,五、對真實氣體的幾點簡介,一、熱學(xué)系統(tǒng)與平衡態(tài),1. 熱力學(xué)系統(tǒng),2. 熱力學(xué)平衡態(tài),3. 狀態(tài)參量和狀態(tài)圖,4. 熱力學(xué)過程,5. 溫度和熱力學(xué)第零定律,第9章 氣體動理論,1. 熱力學(xué)系統(tǒng),能夠與所研究的熱力學(xué)系統(tǒng)發(fā)生相互作用 的其它物體,在給定范圍內(nèi)，由大量微觀粒子所組成的 宏觀客體（氣、液、固、）,一、熱學(xué)系統(tǒng)與平衡態(tài),簡稱系統(tǒng),系統(tǒng)的外界（簡稱外界）,孤立系統(tǒng)與絕熱系統(tǒng)的關(guān)系：,絕熱系統(tǒng) 與外界僅無熱量交換,“雞犬之聲相聞，民至老死不相往來”,熱學(xué)系統(tǒng)的劃分完全是“人為”的，對于不同的問題

5、，甚至對于同一問題可取不同的系統(tǒng)。,孤立系統(tǒng),孤立系統(tǒng) 與外界無任何交換,孤立系,絕熱系,B部落,A部落,2. 熱力學(xué)平衡態(tài)（equilibrium state）,一個系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，若 它的宏觀性質(zhì)不再隨時間變化，則此系統(tǒng)處 于熱力學(xué)平衡態(tài)。,系統(tǒng)的一種特殊情況,例：理想氣體絕熱自由膨脹,真空,非平衡態(tài),一定質(zhì)量的氣體，與外界無能量交換，內(nèi)部無 化學(xué)反應(yīng)、核反應(yīng)，僅由于分子熱運(yùn)動使氣體內(nèi) 各部分達(dá)到: 密度、溫度 T、壓強(qiáng) P 均勻的狀態(tài),平衡態(tài),同時考慮,注：,1 一個孤立系統(tǒng)的狀態(tài),2 平衡態(tài)實質(zhì)上只是一種熱動平衡,理想狀態(tài),3 本篇主要涉及對系統(tǒng)平衡態(tài)的討論,總是處于平衡態(tài)

6、,微觀量：表征單個分子性質(zhì)與狀態(tài)（如：m, r, v） 宏觀量：反映整個系統(tǒng)宏觀性質(zhì)和狀態(tài)（如：P, T, V）,廣延量: 總系統(tǒng)各個子系統(tǒng)之和 （如：V，n） 強(qiáng)度量: 總系統(tǒng)各個子系統(tǒng)（ 如：T，P）,3. 狀態(tài)參量、狀態(tài)圖,（1）狀態(tài)參量 平衡態(tài)的描述,幾何參量（如：V） 力學(xué)參量（如：P） 化學(xué)參量（如：n 、M） 電磁場參量（如：E、B）,熱學(xué)參量（如：T）,狀態(tài)參量空間：以獨立的狀態(tài)參量為坐標(biāo)構(gòu)成的一個空間,（2）狀態(tài)圖,過程曲線,若系統(tǒng)在變化過程中經(jīng)歷的每一狀態(tài)都是平衡態(tài)，,可將其經(jīng)歷的所有平衡態(tài)在狀態(tài)空間上表示,此過程平衡態(tài)過程,注：,非平衡態(tài)、非平衡過程不能用狀態(tài)圖描述,平衡

7、態(tài),平衡態(tài) 過程,P,V不確定,分子相空間:,六維空間中一點（x,y,z,vx,vy,vz）同一個分子的 運(yùn)動狀態(tài)對應(yīng)，該點稱為分子的代表點，這一六維空間 稱為分子的相空間。,相空間橫坐標(biāo)：位置 縱坐標(biāo)：速度(或動量),相空間空間坐標(biāo): x, y, z, 空間坐標(biāo)微元: dxdydz 相空間速度坐標(biāo): vx, vy, vz，空間速度微元: dvxdvydvz,坐標(biāo)與速度空間體積元,坐標(biāo)空間體積元,速度空間體積元,分子相空間體積元：,4.熱力學(xué)過程,系統(tǒng)從,系統(tǒng)經(jīng)歷了一個熱力學(xué)過程,過程,另一個狀態(tài),一個狀態(tài),當(dāng)系統(tǒng)在變化過程中經(jīng)歷的每一狀態(tài)都是 平衡態(tài)，此過程平衡過程,顯然：,實際的熱力學(xué)過程

8、中任一狀態(tài)都不是平衡態(tài),例如:一實際汽缸的氣體作為系 統(tǒng)，當(dāng)活塞運(yùn)動中氣體被 壓縮，使系統(tǒng)在整個壓縮 過程中經(jīng)歷了一系列狀態(tài)。,非平衡過程,快 速 壓 縮,設(shè)想,趨近平衡態(tài)過程,實際的熱力學(xué)過程中任一狀態(tài)都不是平衡態(tài),一個過程其任意時刻的中間態(tài)都無限接近 于一個平衡態(tài)，則此過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,無限緩慢,對準(zhǔn)靜態(tài)過程中間狀態(tài)的平衡態(tài)及系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)變化過程均可用狀態(tài)圖表示,5. 溫度,（1）什么是溫度？,絕熱板,若隔板為“導(dǎo)熱板”,一個系統(tǒng)狀態(tài)的變化會引起另一系統(tǒng)狀態(tài)的變化,復(fù)合系統(tǒng),當(dāng)復(fù)合系統(tǒng)達(dá)到平衡時,兩系統(tǒng)處于熱平衡,兩系統(tǒng)有共同的宏觀性

9、質(zhì),將兩個分別處于平衡態(tài)的系統(tǒng)A和B 用一剛性隔板分隔開,熱平衡,A和B兩系統(tǒng)的狀態(tài)可 獨立地變化互不影響,A,B,若隔板為“絕熱板”,導(dǎo)熱板,溫度,熱接觸,2溫度是熱學(xué)中特有的物理量,它決定一系統(tǒng) 是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡。,說明：,1 溫度的概念與人們?nèi)粘囟鹊睦斫?（溫度冷熱程度）是一致的。,（2）熱力學(xué)第零定律,（溫度的數(shù)字表示法）,如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，則這兩個系統(tǒng)彼此也將處于熱平衡。,常用的兩種溫標(biāo),攝氏溫標(biāo)：,水的三相點 t = 0C,熱力學(xué)溫標(biāo)：,與任何物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān),SI 單位制,溫標(biāo),1. 理想氣體的微觀模型,（1）分子本身大小忽略不計,（2）分子間相互

10、作用忽略不計,（3）分子間、分子與器壁間的碰撞是彈性碰撞,理想氣體是大量不停的、無規(guī)則運(yùn)動著的、無引力第（2）條的彈性第（3）條質(zhì)點第（1）條 的集合。,理想模型,二、對理想氣體的基本描述,組成理想氣體的質(zhì)點的運(yùn)動遵循經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。,2. 理想氣體的狀態(tài)方程,根據(jù)實驗及波意耳定律，當(dāng)氣體系統(tǒng)的質(zhì) 量m一定時,若系統(tǒng)從（P1 V1 T1）（P2 V2 T2）有,氣體的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為（P0 V0 T0）則,摩爾體積,v0=22.4110-3 m3/mol,氣體普適常數(shù),摩爾數(shù),理想氣體狀態(tài)方程,方程的另一表示:,1mol 任何氣體的分子數(shù)目,NA=6.0231023 /mol,設(shè)V 中有N個氣體分子，

11、則,n分子密度,波耳茲曼常數(shù),PV = NkT,或 P = nkT,溝通微觀領(lǐng)域與宏觀領(lǐng)域的橋梁,上節(jié)課的主要內(nèi)容,二、對理想氣體的基本描述,一、幾個基本概念,理想氣體的狀態(tài)方程,PV = NkT,P = nkT,孤立系統(tǒng)、平衡態(tài)、平衡過程、準(zhǔn)靜態(tài)過程、,狀態(tài)參量、狀態(tài)圖、溫度,另一表示,例1 . 一個人呼吸時，若每吐出一口氣都在若干時間內(nèi)（比如 幾年）均勻的混合到全部大氣中，另一個人每吸入的一 口氣中有多少個分子是從那個人的那口氣中吐出的？,解：,1atm1.013105N/m2,大氣總質(zhì)量 m1atmS地/g51018 kg,大氣摩爾質(zhì)量 M2910-3 kg/mol,大氣總體積：Vm/M

12、22.4 L/mol3.861021 L,N個氣體分子均勻混合到體積V 中，每L里含有分子數(shù)為,標(biāo)態(tài)下人呼吸一口氣的體積約1L，分子數(shù)為：,“呼吸相通”、“息息相關(guān)”,對待大氣污染問題， 我們患難與共！,壓在1m2地面上氣柱的重量,（1）統(tǒng)計規(guī)律,單個事件看不出什么規(guī)律，大量事件將出現(xiàn) 規(guī)律，,這種規(guī)律叫統(tǒng)計規(guī)律,例2. 有大量的三色小球（各色小球數(shù)量相同）,將小球一個一個從袋中拿出來，每次拿出什么 顏色的球是不可預(yù)測的。（單個事件無規(guī)律可言）,拿的次數(shù)多了, 就有規(guī)律了。例：拿了三萬次,統(tǒng)計一下結(jié)果：,大量事件遵循的規(guī)律叫統(tǒng)計規(guī)律 上述方法，叫統(tǒng)計方法。,3. 理想氣體的壓強(qiáng),一個統(tǒng)計概念,

13、 某個事件出現(xiàn)的可能性的量度,（2）概率,例2中三種顏色的球拿出來的概率是一樣的,等概率原理,紅色小球出現(xiàn)的概率,用數(shù)學(xué)式歸納為,三色球出現(xiàn)的總概率:,一定！,這叫概率的歸一化條件,紅,次數(shù)越多 所得結(jié)果 越準(zhǔn)確,黃色小球出現(xiàn)的概率,黃,蘭色小球出現(xiàn)的概率,蘭,例3. 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下, 1cm3氣體分子個數(shù)的數(shù)量級是 N=1019 個, 問: 在各個方向上 N個分子速率的 平均值有什么關(guān)系？,按統(tǒng)計理論各方向上分子速率的統(tǒng)計平均值相等,顯然,我們可以對容器中處于熱動平衡下的大量氣體 分子作如下統(tǒng)計假設(shè)：,1 容器中任一位置處單位體積的分子數(shù)不比 其它位置占優(yōu)勢,2 分子沿任何方向運(yùn)動(個數(shù)、速率

14、)不比其 它方向占優(yōu)勢,（3） 理想氣體的壓強(qiáng),壓強(qiáng)的產(chǎn)生,單個分子碰撞器壁的作用力是不連續(xù)的、偶然的、不均勻的,而大量分子作用力的總效果上看，是一個持續(xù)的平均作用力,這個壓力是多少？,（3） 理想氣體的壓強(qiáng),設(shè)長方體 V 中有N個理想氣體分子,將所有分子分成若干組, 每組內(nèi)分子的速度 大小方向都相同,第 i 組的分子密度: ni,第 i 組的分子速度：,=,vix,每個分子速度的大小, 方向各 不相同；熱平衡下分子與6個壁都 要碰撞，各個面所受的壓強(qiáng)相等,總分子密度：,viy,viz,單位體積有 n = N/V 個分子,每個分子質(zhì)量為 m,垂直x軸處任取面積元dA, 計算dA上的壓強(qiáng)：,光滑

15、器壁,1 速度為vi的單個分子在一次碰撞中對器壁的作用,碰撞前 vi （vix viy viz）,碰撞后 vi（vix viy viz）,碰撞前后動量改變,分子施于dA的沖量,Pi = 2mvix,Ii = 2mvix,2 dt 時間內(nèi)具有vi 的分子施于dA 的沖量,取vidt 為斜高、dA為底的斜柱體,vidt,體積為,分子數(shù)為 nivixdtdA,vixdtdA,dt 內(nèi)施于dA 的沖量,dIi = 2mvixnivixdtdA,= 2mnivix2dtdA,所有分子施于dA的沖量,vixdt,按概率分布vix0, vix0 的分子數(shù) 各占一半:,根據(jù)沖量定理: dI =Fdt,dA受到

16、 壓強(qiáng),n,n,即 P=nmvx2,容器中氣體 總體的分子 數(shù)密度,按統(tǒng)計的觀點,每個分子速度指向任何方向的 機(jī)會相等,則有,分子的平均平動動能,N個分子構(gòu)成的氣體系統(tǒng)的壓強(qiáng)宏觀量,：一個分子的平動動能的平均值微觀量,P 的微觀本質(zhì)：,壓強(qiáng)的大小反映了分子的平均平動動能的大小,結(jié)論：,（分子數(shù)密度不變情況下）,1 大量分子與器壁不斷碰撞的結(jié)果，是統(tǒng)計平均值， 對單個分子談壓強(qiáng)是毫無意義的。,2 壓強(qiáng)公式把宏觀量P與微觀量n、kt 聯(lián)系起來了 顯示了宏觀量和微觀量的關(guān)系。,P 的意義：, 理想氣體的壓強(qiáng),問題1: 若器壁不是光滑的， 或者不是平面，公式是否仍成立呢？,問題2: 斜柱體內(nèi)凡是速率為vi(vix0)的分子是否 都能到達(dá)面元dA？壓強(qiáng)公式還成立嗎？,2 對分子熱運(yùn)動,永遠(yuǎn),絕對零度是不可能的!,4.理想氣體的溫度,由狀態(tài)方程 P