《氣體分子動理論》課件

氣體分子動理論歡迎來到氣體分子動理論課程。本課程將深入探討氣體微觀結(jié)構(gòu)及其宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系。我們將從分子層面理解氣體的行為，揭示溫度、壓力等概念的本質(zhì)。課程大綱1氣體基本性質(zhì)探討氣體的宏觀特性及其微觀解釋。2分子運動理論深入了解分子運動特點及其統(tǒng)計規(guī)律。3熱力學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)熱力學(xué)定律及其在氣體中的應(yīng)用。4理論應(yīng)用與局限探討理論的實際應(yīng)用及其局限性。氣體的性質(zhì)可壓縮性氣體體積可隨壓力變化而顯著改變。流動性氣體可自由流動，充滿整個容器。膨脹性氣體總是傾向于占據(jù)更大的體積。均勻混合性不同氣體可自發(fā)均勻混合。分子的定義基本單位分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小粒子。由原子通過化學(xué)鍵結(jié)合而成。結(jié)構(gòu)特點分子具有特定的空間結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。決定了物質(zhì)的宏觀性質(zhì)。運動特性分子處于持續(xù)的隨機運動中。這種運動是氣體性質(zhì)的根源。分子的運動特點1隨機性分子運動方向和速度完全隨機，無規(guī)律可循。2持續(xù)性分子永不停息，始終保持運動狀態(tài)。3高速性常溫下分子平均速度可達(dá)數(shù)百米每秒。4溫度依賴性溫度越高，分子運動越劇烈。分子間的碰撞頻繁碰撞氣體分子間不斷發(fā)生碰撞，每秒可達(dá)數(shù)十億次。彈性碰撞理想氣體分子間碰撞為完全彈性，動能守恒。能量交換碰撞過程中，分子間進(jìn)行能量和動量交換。平衡狀態(tài)大量碰撞后，系統(tǒng)達(dá)到統(tǒng)計平衡狀態(tài)。分子動能的統(tǒng)計分布1麥克斯韋分布描述氣體分子速度分布的統(tǒng)計規(guī)律。2最可幾速率出現(xiàn)頻率最高的分子速率。3平均速率所有分子速率的算術(shù)平均值。4均方根速率與溫度直接相關(guān)的速率參數(shù)。溫度與分子動能的關(guān)系溫度定義溫度是氣體分子平均動能的宏觀表現(xiàn)。動能關(guān)系氣體溫度與分子平均動能成正比。數(shù)學(xué)表達(dá)T=(2/3k)*E，k為玻爾茲曼常數(shù)。壓力的概念和產(chǎn)生原因壓力定義單位面積上的垂直作用力。氣體壓力源于分子撞擊容器壁。微觀機制分子不斷撞擊容器壁，產(chǎn)生持續(xù)的力。這種力的統(tǒng)計平均即為壓力。影響因素分子數(shù)量、溫度和容器體積都會影響氣體壓力大小。壓力與分子運動的關(guān)系動量傳遞分子撞擊容器壁時傳遞動量，產(chǎn)生壓力。碰撞頻率碰撞頻率越高，壓力越大。溫度影響溫度升高，分子運動加劇，壓力增大。體積效應(yīng)體積減小，單位時間內(nèi)碰撞次數(shù)增加，壓力增大。氣體狀態(tài)方程理想氣體方程PV=nRT，描述氣體壓力、體積、溫度和物質(zhì)的量之間的關(guān)系。普適性適用于各種理想氣體，在一定條件下可近似描述真實氣體。應(yīng)用范圍低壓、高溫條件下，氣體行為更接近理想氣體。局限性無法準(zhǔn)確描述高壓或低溫下的氣體行為。理想氣體模型的假設(shè)1點粒子氣體分子被視為無體積的質(zhì)點。2無相互作用分子間除碰撞外無其他相互作用力。3彈性碰撞分子間碰撞為完全彈性，能量守恒。4統(tǒng)計平均大量分子的平均行為決定宏觀性質(zhì)。理想氣體狀態(tài)方程的推導(dǎo)動量定理利用動量定理分析單個分子與容器壁的碰撞。統(tǒng)計平均計算大量分子碰撞產(chǎn)生的平均壓力。溫度關(guān)聯(lián)引入溫度與分子平均動能的關(guān)系。方程形成綜合以上步驟，得到PV=nRT的形式。原子量和分子量的概念原子量一種元素原子的平均質(zhì)量，以碳-12原子質(zhì)量的1/12為單位。分子量一個分子的質(zhì)量，等于組成原子的原子量之和。相對概念原子量和分子量都是相對值，無量綱。摩爾量和阿伏加德羅常數(shù)摩爾定義物質(zhì)的量單位，含有阿伏加德羅常數(shù)個粒子。阿伏加德羅常數(shù)NA=6.022×10^23mol^-1摩爾質(zhì)量一摩爾物質(zhì)的質(zhì)量，單位為g/mol。理想氣體摩爾熱容的計算定義升高一摩爾氣體溫度1K所需的熱量。定容熱容CV=(3/2)R，適用于單原子分子理想氣體。定壓熱容CP=CV+R，恒壓過程中的摩爾熱容。自由度影響多原子分子氣體的熱容與分子自由度相關(guān)。氣體熱力學(xué)第一定律1能量守恒熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱學(xué)中的表述。2系統(tǒng)能量變化系統(tǒng)內(nèi)能變化等于吸收的熱量與對外做功之差。3數(shù)學(xué)表達(dá)ΔU=Q-W4普適性適用于各種熱力學(xué)過程。等容過程和等壓過程等容過程體積保持不變的過程。Q=ΔU，W=0。等壓過程壓力保持恒定的過程。Q=ΔH，W=PΔV。比較等壓過程做功，需要更多熱量才能達(dá)到相同的溫度變化。絕熱過程和等溫過程絕熱過程系統(tǒng)與外界無熱量交換。Q=0，ΔU=-W。等溫過程溫度保持恒定。ΔU=0，Q=W。絕熱方程PV^γ=常數(shù)，γ為絕熱指數(shù)。等溫方程PV=常數(shù)，遵循玻意耳定律。功和熱量的定義及其關(guān)系功的定義系統(tǒng)對外界做的機械功。W=∫PdV。熱量定義系統(tǒng)與環(huán)境之間傳遞的能量。不是狀態(tài)函數(shù)。關(guān)系功和熱量都是能量傳遞的形式，但機制不同。內(nèi)能和焓的概念內(nèi)能U系統(tǒng)所有粒子動能和勢能的總和。焓HH=U+PV，常用于描述等壓過程。狀態(tài)函數(shù)內(nèi)能和焓都是狀態(tài)函數(shù)，只依賴于系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表示微分形式dU=δQ-δW有限過程ΔU=Q-W等壓過程ΔH=QP循環(huán)過程∮dU=0，∮δQ=∮δW熱機效率和卡諾效率1熱機效率η=W/Q1，輸出功與吸收熱量之比。2卡諾循環(huán)理想可逆循環(huán)，由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成。3卡諾效率ηc=1-T2/T1，理想熱機的最大效率。4實際應(yīng)用實際熱機效率永遠(yuǎn)低于卡諾效率。熵的概念及其表達(dá)式熵定義描述系統(tǒng)混亂程度的狀態(tài)函數(shù)。克勞修斯關(guān)系dS=δQ/T（可逆過程）統(tǒng)計解釋S=klnW，W為系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)。熵變計算ΔS=∫(dQ/T)（可逆路徑）熵變和熱力學(xué)第二定律1克勞修斯表述熱量不能自發(fā)從低溫物體傳向高溫物體。2開爾文表述不可能從單一熱源吸熱使之完全轉(zhuǎn)化為功。3熵增原理孤立系統(tǒng)的熵總是增加的。4數(shù)學(xué)表達(dá)dS≥δQ/T，等號適用于可逆過程。熵變與自發(fā)過程的關(guān)系熵增加孤立系統(tǒng)中，熵增加的過程是自發(fā)的。平衡狀態(tài)系統(tǒng)達(dá)到平衡時，熵達(dá)到最大值。非孤立系統(tǒng)考慮系統(tǒng)和環(huán)境的總熵變。吉布斯自由能G=H-TS，自發(fā)過程ΔG<0。氣體分子動理論的局限性分子體積忽略分子體積在高壓下會導(dǎo)致較大誤差。分子間作用力低溫高壓下，分子間作用力不可忽視。量子效應(yīng)對于氫氣等輕分子，量子效應(yīng)變得重要