第十五章氣體動理論課件

第十五章氣體動理論安徽大學(xué)出版社ANHUIUNIVERSITY大學(xué)物理學(xué)

15－1氣體分子熱運動與統(tǒng)計規(guī)律

15－2理想氣體壓強公式

15－3麥克斯韋速率分布律第十五章氣體動理論

*15－4麥克斯韋-玻耳茲曼分布律

15－5溫度的微觀解釋理想氣體定律的推證

15－6能量按自由度均分定理理想氣體的內(nèi)能

*15－7實際氣體的范德瓦爾斯方程

15－8氣體分子的平均自由程和平均碰撞頻率

*15－9氣體內(nèi)的遷移現(xiàn)象

15－10熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義和熵的概念

15－1

氣體分子熱運動與統(tǒng)計規(guī)律

一、氣體分子熱運動

分子間存在相互作用力.它屬于電磁作用的范疇.宏觀上任何大小的物體都包含大量的微觀粒子.

例如，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1cm3的空氣中就約有個分子.斥力引力如圖，當(dāng)時，分子力主要表現(xiàn)為斥力；當(dāng)時，分子力主要表現(xiàn)為引力.

當(dāng)時，分子間作用力可以忽略不計.組成宏觀物體的大量分子都在做無規(guī)則的永不停息的運動，分子的這種運動叫做分子熱運動.如圖，布朗運動是個典型的例子.統(tǒng)計規(guī)律——在大量的偶然的、無序的分子熱運動中，包含的一種規(guī)律性，這種規(guī)律性來自大量偶然事件的集合.熱現(xiàn)象是大量分子熱運動的集體表現(xiàn)，遵從統(tǒng)計規(guī)律.

二、氣體分子熱運動遵從統(tǒng)計規(guī)律

三、統(tǒng)計規(guī)律的特征...................................

.........................

..........................................小球在伽爾頓板中的分布統(tǒng)計規(guī)律有以下兩個重要特征

（1）統(tǒng)計規(guī)律是大量偶然事件整體所遵從的規(guī)律.

（2）統(tǒng)計規(guī)律和漲落現(xiàn)象是分不開的.

15－2理想氣體壓強公式

一、理想氣體的分子模型

1.分子本身的大小比起它們之間的平均距離可忽略不計，分子可以看做質(zhì)點.

2.除碰撞外，分子力可忽略.

3.分子間的碰撞是完全彈性的.

二、平衡態(tài)氣體的統(tǒng)計假設(shè)

（1）分子數(shù)密度處處相等(均勻分布).

（2）分子沿各個方向運動的概率相同.

a.任一時刻向各方向運動的分子數(shù)相同.

b.分子速度在各個方向分量的各種平均值相等.設(shè)氣體分子總數(shù)為N,根據(jù)統(tǒng)計平均值的定義，有對任意一個分子，有三、理想氣體壓強公式推導(dǎo)壓強公式的出發(fā)點氣體壓強是大量分子不斷碰撞容器壁的結(jié)果.考慮到分子數(shù)目巨大，碰撞非常頻繁，可以認為器壁受到持續(xù)力的作用.設(shè)任意形狀容器體積為V，其中貯有分子數(shù)為N

，分子質(zhì)量為μ，并處于平衡態(tài)的一定量理想氣體.dAxvividt設(shè)想把N個分子分成若干組，每組內(nèi)分子的速度大小和方向都相同，則總的分子數(shù)密度為：考慮器壁上任意面積元dA所受的壓強，單個分子遵循力學(xué)規(guī)律，其速度為：碰撞前后，x方向動量增量為：由牛頓第三定律知，分子施于器壁的沖量為上圖中柱體內(nèi)速度為的分子數(shù)目為速度為的分子的總沖量所有分子dt

時間內(nèi)施予dA的總沖量為：所有與dA相碰撞的分子施予dA的合力為因此,氣體對容器壁的壓強為由于代入可得：上式還可寫成：其中為分子平均平動動能理想氣體壓強公式宏觀可測量微觀量壓強是大量分子對時間、對面積的統(tǒng)計平均結(jié)果.

15－3麥克斯韋速率分布律

一、速率分布函數(shù)設(shè)處于平衡態(tài)的理想氣體系統(tǒng)總分子數(shù)為

N.速率分布函數(shù)dN

：速率在v

~v+v

區(qū)間內(nèi)分子數(shù).：分子速率處在v

~v+v

區(qū)間的概率.物理意義

速率在附近單位速率區(qū)間內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比.歸一化條件兩個速率1.平均速率2.方均根速率

二、麥克斯韋速率分布律麥克斯韋速率分布函數(shù)玻耳茲曼常量v2v1f(v)

vvv+dvvp曲線下總面積等于1.（歸一化條件）最概然速率vp利用麥克斯韋速率分布函數(shù)和積分公式，可得三種速率的相對大小關(guān)系討論分子速率分布時用最概然速率；討論分子平均平動動能時用方均根速率；討論分子碰撞頻率和平均自由程時用平均速率.

例1某種氣體分子在溫度

T1

=300K時方均根速率等于溫度T2時的平均速率,求T2.

解:

常溫下，看為理想氣體根據(jù)已知條件，得解得

例2設(shè)導(dǎo)體中自由電子數(shù)為N,電子速率最大值為費米速率

，且已知電子速率在v—v+dv

區(qū)間概率為：(1)畫出速率分布函數(shù)曲線.(2)確定常數(shù)A.(3)

求

解:

(1)Ovf(v)

(2)由歸一化條件可知(3)顯然由圖可知

三、麥克斯韋速率分布律的實驗驗證

1934年我國物理學(xué)家

葛正權(quán)用實驗測定了分子的速率分布

15－5溫度的微觀解釋理想氣體定律的推證

一、溫度的微觀解釋從理想氣體分子的方均根速率出發(fā),可得：理想氣體的分子平均平動動能只與氣體溫度有關(guān)，并與熱力學(xué)溫度T成正比.1.溫度是分子平均平動動能的量度（反映熱運動的劇烈程度）物理意義

2.溫度是大量分子的集體表現(xiàn)，個別分子無意義.

二、理想氣體定律的推證例1

電子伏特（eV）是近代物理中常用的能量單位，求在多高溫度下，理想氣體的分子平均平動動能等于1eV？

解:已知由得

例2

計算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，任何氣體在1m3體積中含有的分子數(shù).解:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，Loschmidt

數(shù)

15－6能量按自由度均分定理理想氣體的內(nèi)能

一、自由度

定義：確定一個物體在空間的位置所必需的獨立坐標(biāo)數(shù)目.剛性單原子分子：i=3氦、氬等剛性雙原子分子：氫、氧、氮等i=5剛性多原子分子：水蒸汽、甲烷等i=6

二、能量均分定理單原子分子

303雙原子分子325多原子分子336剛性分子能量自由度分子自由度平動轉(zhuǎn)動i理想氣體分子平均平動動能

在溫度為T

的平衡態(tài)下,物質(zhì)分子的每一個自由度都具有相同的平均動能,等于.分子的平均總動能理想氣體分子模型

三、理想氣體的內(nèi)能分子間無相互作用無相互作用勢能剛性分子

無振動自由度剛性分子理想氣體內(nèi)能：所有分子平均動能之和1molm/Mmol理想氣體的內(nèi)能是溫度的單值函數(shù).

四、氣體的摩爾熱容根據(jù)理想氣體定體摩爾熱容的定義，結(jié)合熱力學(xué)第一定律及理想氣體內(nèi)能公式，有：再根據(jù)邁耶公式，導(dǎo)出：均與與氣體分子的自由度有關(guān),與溫度無關(guān).

例

指出下列各式所表示的物理意義.分子在每個自由度上的平均動能;分子的平均平動動能;分子的平均動能;1mol氣體的內(nèi)能;質(zhì)量為m的氣體內(nèi)所有分子的平均平動動能之和;質(zhì)量為m的氣體的內(nèi)能.

15－8氣體分子的平均自由程和平均碰撞頻率1.自由程

：分子兩次相鄰碰撞之間運動通過的路程.2.平均自由程

：每兩次連續(xù)碰撞之間，一個分子自由運動的平均路程.3.平均碰撞頻率：單位時間內(nèi)一個分子和其它分子碰撞的平均次數(shù).引入分子平均相對運動速率

.表示分子的平均速率.分子模型1.分子為剛性小球2.分子有效直徑為d（分子間距平均值）3.其它分子皆靜止,某一分子以平均速率相對其他分子運動.如圖,圓柱體內(nèi)的總分子數(shù)就是A分子與其他分子的碰撞次數(shù).所以,平均碰撞頻率為:平均自由程為:對于理想氣體:

一定時，

一定時

解:以電子運動的軌跡為軸線、以氣體分子的有效半徑d/2為半徑作一個曲折的圓柱體，凡是在該圓柱體內(nèi)的氣體分子都會與電子相碰撞.由題意,△t

時間內(nèi)，相應(yīng)的曲折圓柱體體積為：

例

在氣體放電管中，電子不斷與氣體分子碰撞.因電子的速率遠大于氣體分子的平均速率，所以氣體分子可以認為是不動的.假定電子的有效直徑比起氣體分子的有效直徑d來可以忽略不計，試證明電子與氣體分子碰撞的平均自由程為,n

為氣體分子數(shù)密度.曲折圓柱體內(nèi)的氣體分子數(shù)為：于是電子與氣體分子的碰撞頻率為：電子的平均自由程為：

15－10熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義和熵的概念

一、熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義如圖,以理想氣體向真空自由膨脹為例，說明宏觀不可逆過程的微觀本質(zhì):BA假設(shè)在容器中有4個分子，研究其分布情況:如圖，有五種宏觀態(tài)每個宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù):1每個微觀態(tài)出現(xiàn)的概率相同(等概率原理)，包含微觀態(tài)越多的宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率越大.4416N個分子全部集中在A或B室中的概率為：對于1mol氣體,這個概率趨于0,實際上不可發(fā)生.

孤立系統(tǒng)中，自發(fā)進行的過程是不可逆的，總是由概率小的宏觀態(tài)向概率大的宏觀態(tài)進行，也就是由包含微觀態(tài)數(shù)目少的宏觀態(tài)向包含微觀態(tài)數(shù)目多的宏觀態(tài)的進行.熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義

二、熵和熵增加原理1.熱力學(xué)概率

：某一宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目

.2.熵

：用于定量說明自發(fā)過程運動方向的宏觀物理量

.玻耳茲曼熵公式*熵是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù).*熵是系統(tǒng)無序程度的量度.(平衡態(tài)熵最大)不難看出，孤立系統(tǒng)中的一切實際過程，都是熵的增加過程

.從1到2的系統(tǒng)狀態(tài)變化過程，熵增為:熵增加原理孤立系統(tǒng)的熵永不會減少,即:等號適用于可逆過程.例.試用玻耳茲曼熵公式計算理想氣體自由膨脹過程中的熵變,設(shè)氣體的質(zhì)量為m,摩爾質(zhì)量為M,初態(tài)體積為V1,末態(tài)體積為V2.

解:質(zhì)量為m

的理想氣體含有的分子數(shù)為分析可知，氣體膨脹前后兩種宏觀態(tài)所包含的微觀態(tài)數(shù)目之比是：所以，膨脹過程中，理想氣體的熵變?yōu)?注意*熵的改變與過程無關(guān).*以上討論的前提是孤立系統(tǒng).

三、熵的熱力學(xué)表示我們進一步尋求熵在熱力學(xué)中的宏觀定義:可以設(shè)想上式表示的熵變是通過可逆等溫過程實現(xiàn)的,該過程吸收的熱量為對于無限小的可逆等溫過程,則有上式具有普適意義,對于任何系統(tǒng)的任何過程,一般都有對于一個孤立系統(tǒng)而言這就是熵增加原理.一個熱力學(xué)系統(tǒng)從1到2的有限可逆過程中

例1.設(shè)有兩種質(zhì)量均為1mol的氣體,其摩爾定體熱容分別為CV1,m

和CV2,m,溫度分別為T1

和T2.假定他們之間有極短時間的熱傳導(dǎo)發(fā)生,試求熱傳導(dǎo)過程中熵的改變，并用熵增加原理判定過程進行的方向.

解:假定有微小熱量從1→2,溫度分別改變?yōu)門1-dT1和T2+dT2,它們分別吸熱：在無限小變化過程中，氣體溫度可視為不變，熵變?yōu)?將兩種氣體合起來組成一個大的孤立系統(tǒng)，系統(tǒng)熵變?yōu)?由于所以當(dāng)時，由此可見，熱傳導(dǎo)過程自發(fā)進行的方向是熱量從高溫氣體傳向低溫氣體.例2.設(shè)在恒壓下將1kg水從T1=27