分子物理學(xué)基礎(chǔ)

1、分子物理學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共53頁，2022年，5月20日，9點57分，星期一 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(xué)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(xué)基礎(chǔ)第2頁，共53頁，2022年，5月20日，9點57分，星期一2 氣體的物態(tài)參量（宏觀量）一、熱力學(xué)系統(tǒng)1 系統(tǒng)與環(huán)境第一節(jié) 理想氣體的壓

2、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，2022年，5月20日，9點57分，星期一平衡態(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(guān)；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，2022年，5月20日，9點57分，星期一 物態(tài)方程：理想氣體平衡態(tài)宏觀參量間的函數(shù)關(guān)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

3、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，2022年，5月20日，9點57分，星期一第一節(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(xué)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，2022年，5月20日，9點57分，星期一2）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(shè)： 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，2022年，5月20日，9點57分，星期一三、理想氣體的壓強公式

4、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(shè) 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(dǎo)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，2022年，5月20日，9點57分，星期一 統(tǒng)計關(guān)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，2022年，5月20日，9點57分，星期一玻爾茲曼常數(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

5、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，2022年，5月20日，9點57分，星期一（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，2022年，5月20日，9點57分，星期一 例 理想氣體體積為 V

6、，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，2022年，5月20日，9點57分，星期一一 、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(biāo)數(shù)。 單原子分子單原子分子的平均能量第13頁，共53頁，2022年，5月20日，9點57分，星期一 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，2022年，5月20日，9點57分，星期一分子平均振動能量分子平均能量非剛性分子平均能

7、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，2022年，5月20日，9點57分，星期一 自由度數(shù)目 平動 轉(zhuǎn)動 振動單原子分子 3 0 3雙原子分子 3 2 5多原子分子 3 3 6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，2022年，5月20日，9點57分，星期一三 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 . 1 mol 理想氣體的內(nèi)能 二 能量均分定理（玻爾茲曼假設(shè)） 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

8、由度均分原理第17頁，共53頁，2022年，5月20日，9點57分，星期一 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，2022年，5月20日，9點57分，星期一實驗裝置一 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，2022年，5月20日，9點57分，星期一分子速率分布圖：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，2022年，5月20日，9點57分，星期一分布函數(shù) 表示速率在 區(qū)間的分子

9、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，2022年，5月20日，9點57分，星期一速率位于 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，2022年，5月20日，9點57分，星期一麥?zhǔn)戏植己瘮?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，2022年，5月20日，9點57分，星期一三 三種統(tǒng)計速率1）最概然速率根據(jù)分布函數(shù)

10、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，2022年，5月20日，9點57分，星期一2）平均速率第三節(jié) 分子的速率第25頁，共53頁，2022年，5月20日，9點57分，星期一3）方均根速率第三節(jié) 分子的速率第26頁，共53頁，2022年，5月20日，9點57分，星期一 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，2022年，5月20日，9點57分，星期一討論 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

11、.（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，2022年，5月20日，9點57分，星期一 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，2022年，5月20日，9點57分，星期一1）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，2022年，5月20日，9點57分，星期一 例 如圖示兩條 曲線分別表示氫氣

12、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，2022年，5月20日，9點57分，星期一 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，2022年，5月20日，9點57分，星期一氣體層間的粘滯力 氣體粘滯現(xiàn)象的微觀本質(zhì)是分子定向運動動量

13、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，2022年，5月20日，9點57分，星期一二 熱傳導(dǎo)現(xiàn)象AB* 設(shè)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(dǎo)現(xiàn)象. 氣體熱傳導(dǎo)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(dǎo)率第四節(jié) 物質(zhì)中的遷移現(xiàn)象第34頁，共53頁，2022年，5月20日，9點57分，星期一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

14、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，2022年，5月20日，9點57分，星期一 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(dǎo)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，2022年，5月20日，9點57分，星期一第五節(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

15、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。（The surface phenomena of liquid）第37頁，共53頁，2022年，5月20日，9點57分，星期一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(surface tension)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，2022年，5月20日，9點57分，星期一1. 分子間的平衡距離r01010m 。2. 短程力，有效作用距離d 109m。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

16、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，2022年，5月20日，9點57分，星期一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，2022年，5月20日，9點57分，星期一表面張力系數(shù)與表面能的關(guān)系 外力作功表面能增量(二)表面能(surface energy)定義:增加單位液體表面積作的功,稱為該

17、液體的表面能.單位: J/m2第五節(jié) 液體的表面現(xiàn)象l ABBCCDF第41頁，共53頁，2022年，5月20日，9點57分，星期一2.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(surface adsorption) 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，2022年，5月20日，9點57分，星期一4.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，2022年，5

18、月20日，9點57分，星期一液面的附加壓強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，2022年，5月20日，9點57分，星期一球膜內(nèi)的附加壓強R2 R1 A BPc CPbPa 實例分析1：第五節(jié) 液體的表面現(xiàn)象第45頁，共53頁，2022年，5月20日，9點57分，星期一實例分析2：肥皂泡實驗第五節(jié) 液體的表面現(xiàn)象第46頁，共53頁，2022年，5月20日，9點57分，星期一氣體栓塞(air embolism) ppP左 P右 P左 P右 p液柱不動液柱不動液柱開始移動 當(dāng)液體在毛細(xì)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(xì)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，2022年，5月20日，9點57分，星期一氣體栓塞現(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。2.潛水員從深水中上來,或病人和工作人員從 高壓氧倉中出 來,都應(yīng)有適當(dāng)?shù)木彌_時間, 否則在高壓時溶于血液中的過量氣體,在正 常壓強下會迅速釋放出來形成氣泡,容