高二物理競賽熱學(xué)課件

熱學(xué)熱學(xué)研究內(nèi)容——研究熱力學(xué)系統(tǒng)中的熱現(xiàn)象的規(guī)律及其物理本質(zhì)、實踐應(yīng)用。常見的一些現(xiàn)象：4、物體被加熱，物體的溫度升高。熱現(xiàn)象1、一壺水開了，水變成了水蒸氣。2、機動車汽缸中燃料燃燒。3、氣體被壓縮，產(chǎn)生壓強。

熱力學(xué)系統(tǒng)由大量粒子組成的宏觀物體或物體系。熱學(xué)熱力學(xué)分子動理論從現(xiàn)象中找規(guī)律透過現(xiàn)象追本質(zhì)宏觀規(guī)律微觀機制觀察記錄分析總結(jié)建模統(tǒng)計理論驗證宏觀微觀內(nèi)容分支A.熱學(xué)的宏觀理論(熱力學(xué))——第六章B.熱學(xué)的微觀理論(分子動理論)——第五章由觀察實驗總結(jié)歸納出有關(guān)熱現(xiàn)象的規(guī)律1）單個分子的運動滿足力學(xué)規(guī)律2）大量分子的集體行為滿足統(tǒng)計規(guī)律3）系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)是大量微觀粒子運動的統(tǒng)計平均的結(jié)果。從微觀角度研究宏觀問題的物理思想：第五章

氣體分子動理論氣體分子動理論是從物質(zhì)的微觀分子熱運動出發(fā)，去研究氣體熱現(xiàn)象的理論。微觀量：分子的質(zhì)量、速度、動量、能量等。宏觀量：

溫度、壓強、體積等。在宏觀上不能直接進行測量和觀察。在宏觀上能夠直接進行測量和觀察。一、氣體狀態(tài)參量表征氣體有關(guān)特性的物理量1.體積V氣體分子所能達到的空間2.壓強p氣體垂直作用于器壁表面單位面積上的力＝容器容積單位：1atm=760mmHg=1.013×105Pa3.溫度T

描述物體冷熱程度的物理量熱力學(xué)溫標(biāo)T

：開爾文（K）t=T–273.15攝氏溫標(biāo)t：攝氏度（℃）4.質(zhì)量（M）和摩爾質(zhì)量（

Mmol

）§5-1熱運動的描述理想氣體模型和狀態(tài)方程二、平衡態(tài)不受外界影響時，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。（3）可用確定的狀態(tài)參量來描述。注意（1）無外界影響是指沒有熱量的傳遞及外界對系統(tǒng)作功。（2）是一種熱動平衡狀態(tài)。（4）是一個理想的狀態(tài)。沸水冰水氣體真空平衡態(tài)系統(tǒng)從某狀態(tài)開始經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)到達另一狀態(tài)的過程。熱力學(xué)過程1221準(zhǔn)靜態(tài)過程三、準(zhǔn)靜態(tài)過程在過程進行的每一時刻，系統(tǒng)都無限地接近平衡態(tài)。非準(zhǔn)靜態(tài)過程系統(tǒng)經(jīng)歷一系列非平衡態(tài)的過程實際過程是非準(zhǔn)靜態(tài)過程，但只要過程進行的時間遠大于系統(tǒng)的馳豫時間，均可看作準(zhǔn)靜態(tài)過程。如：實際汽缸的壓縮過程可看作準(zhǔn)靜態(tài)過程S說明

(1)準(zhǔn)靜態(tài)過程是一個理想過程；(2)除一些進行得極快的過程（如爆炸過程）外，大多數(shù)情況下都可以把實際過程看成是準(zhǔn)靜態(tài)過程；四、理想氣體狀態(tài)方程1.理想氣體(1)理想氣體的宏觀定義在任何情況下都遵守玻-馬定律、蓋-呂定律、查理定律三大氣體定律的氣體.(2)理想氣體的微觀模型1、分子線度與分子間距相比較可忽略，分子被看作質(zhì)點。2、除了分子碰撞的瞬間外，忽略分子間的相互作用。3、氣體分子在運動中遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。4、分子與分子間，分子與器壁的碰撞均為彈性碰撞。實際氣體在壓強不太大、溫度不太低時更接近理想氣體。2.理想氣體狀態(tài)方程?！R定律PV=constant蓋—呂薩克定律V/T=constant查理定律P/T=constantT不變P不變V不變克拉伯龍方程3.理想氣體狀態(tài)圖:經(jīng)歷準(zhǔn)靜態(tài)過程（質(zhì)量不變）pVo等p過程等T

過程等V過程p–

V圖、p–

T圖、V–

T圖圖上一點對應(yīng)一個平衡態(tài)；圖上的一條曲線對應(yīng)一個準(zhǔn)靜態(tài)過程。例5-1某種柴油機的汽缸容積為0.82710-3m3。設(shè)壓縮前其中空氣的溫度47oC，壓強為8.5104Pa。當(dāng)活塞急劇上升時可把空氣壓縮到原體積的1/17，使壓強增加到4.2106Pa，求這時空氣的溫度。如把柴油噴入汽缸，將會發(fā)生怎樣的情況？（假設(shè)空氣可看作理想氣體。）只需考慮空氣的初狀態(tài)和末狀態(tài)，有T1=273+47=320（K）這一溫度已超過柴油的燃點，所以柴油噴入汽缸時就會立即燃燒，發(fā)生爆炸推動活塞做功。解：例5-2容器內(nèi)裝有氧氣，質(zhì)量為0.10kg，壓強為10105Pa

，溫度為47oC。因為容器漏氣，經(jīng)過若干時間后，壓強降到原來的5/8，溫度降到27oC。問(1)容器的容積有多大？(2)漏去了多少氧氣？解：(1)（2）若漏氣若干時間之后，壓強減小到p，溫度降到T。如果用M表示容器中剩余的氧氣的質(zhì)量，由狀態(tài)方程得漏去氧氣的質(zhì)量為一、分子熱運動的圖像§5-2分子熱運動和統(tǒng)計規(guī)律物體的分子在永不停息地作無序熱運動例如：1cm3的空氣中包含有2.7×1019個分子布朗運動分子熱運動宏觀物體由大量粒子（分子、原子等）組成分子熱運動的圖像：1.標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氣體分子之間的距離大約是分子本身線度（10-10m）的10倍左右，可把氣體看作是彼此相距很大間隔的分子集合。2.分子與分子間的相互作用力，除了在碰撞的瞬間以外，極為微小。3.分子熱運動的平均速度約分子的平均碰撞頻率約分子的平均自由程約

二、分子熱運動的基本特征分子熱運動的基本特征：分子的永恒運動與頻繁的相互碰撞。分子熱運動與機械運動有本質(zhì)的區(qū)別。1.分子熱運動的無序性2.分子熱運動的統(tǒng)計性微觀量：分子的速度、動量、能量等。宏觀量：

溫度、壓強、體積等。統(tǒng)計方法：在氣體動理論中，必須運用統(tǒng)計方法，求出大量分子的某些微觀量的統(tǒng)計平均值，用以解釋在實驗中直接觀測到的物體的宏觀性質(zhì)。三、分布函數(shù)和平均值偶然事件：不可預(yù)測而又大量出現(xiàn)的事件。多次觀察同樣的事件，可獲得該偶然事件的分布規(guī)律。例如：伽耳頓板實驗投入一個小球，一次實驗中，小球落入哪個狹槽是偶然的。投入大量的小球，落入各個狹槽的小球數(shù)目遵守一定的統(tǒng)計規(guī)律。則小球的總數(shù)為為了描述統(tǒng)計規(guī)律，引入分布函數(shù)：

設(shè)第i個狹槽的寬度為xi

，其中積累的小球高度為hi

，則此狹槽內(nèi)的小球數(shù)目Nihixi

。令Ni

=Chi

xi第

i個狹槽內(nèi)小球數(shù)目占總球數(shù)的百分比為可作為每個小球落入第i個狹槽內(nèi)的概率。令則f(x)表示小球落在x附近單位區(qū)間內(nèi)的概率，或小球落在x處的概率密度，稱為小球沿x

的分布函數(shù)。減小狹槽的寬度，使，小球落在xx+dx內(nèi)的概率（或在xx+dx內(nèi)的小球數(shù)目占總球數(shù)的百分比）為顯然，由分布函數(shù)還可計算任一物理量（如x）的統(tǒng)計平均值。（歸一化條件）如平均位置：§5-3理想氣體的壓強和溫度公式一、理想氣體的微觀模型1、分子線度與分子間距相比較可忽略，分子被看作質(zhì)點。2、除了分子碰撞的瞬間外，忽略分子間的相互作用。3、氣體分子在運動中遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。4、分子與分子間，分子與器壁的碰撞均為彈性碰撞。二、統(tǒng)計假設(shè)1、平衡態(tài)氣體分子數(shù)密度n

分布均勻。2、分子沿各個方向運動的物理量（速率等）幾率均等。沿空間各個方向運動的分子數(shù)目相等和分子各占一半3、分子速度在各個方向上的分量值均相等注意：統(tǒng)計假設(shè)只適用于大量分子的集體x推導(dǎo)：dA體積：V，分子數(shù)：N，分子質(zhì)量：m把分子分成若干的組，每一組的分子具有大小和方向都相同的速度。假設(shè)每組的分子數(shù)密度為ni

，速率為vi。一個分子一次碰撞后動量的增量：一個分子一次碰撞對器壁的沖量：第i組：dA第i組分子dt時間內(nèi)與dA面碰撞分子數(shù)：dt時間內(nèi)作用于dA沖量：dt時間內(nèi)作用于dA總沖量：注意:（求和僅限于vix>0的范圍，因為只有vix>0的分子才能和器壁相碰）x對于所有組dA壓力：總沖量：按照統(tǒng)計假設(shè)vix>0和vix<0各占一半壓強：根據(jù)統(tǒng)計假設(shè)：壓強：說明1、上式表明了宏觀量P與微觀量的平均值之間的聯(lián)系2、在推導(dǎo)過程中對單個分子使用力學(xué)規(guī)律處理，對大量分子采用了統(tǒng)計平均的方法，n、都是統(tǒng)計平均值。所以，P也是統(tǒng)計平均量，而非簡單的力學(xué)量。3、壓強大小與容器形狀無關(guān)理想氣體狀態(tài)方程：則：玻耳茲曼常數(shù)五、溫度公式說明1、氣體分子的平均平動能只與溫度有關(guān)，并與熱力學(xué)溫度成正比。3、從微觀上闡明了溫度的本質(zhì)，即溫度標(biāo)志著物體內(nèi)部分子無規(guī)則運動的劇烈程度2、溫度是大量分子熱運動的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計意義，對單個分子，所它由溫度是沒有意義的。方均根速率：六、方均根速率表0℃時，幾種氣體分子的方均根速率氣體Mmol（×10－3kg．mol-1）

(m．s-1)氫2.021838氦4.01311水蒸氣18615一氧化碳28493氧32461二氧化碳44393例5-3

兩瓶不同種類的氣體，其分子平均平動動能相等，但分子數(shù)密度不同。問：它們的溫度是否相同？壓強是否相同？解：例5-4試求氮氣分子的平均平動動能和均方根速率。設(shè)（1）在溫度t=100