大學物理課件：第9章 氣體和凝聚態(tài)

1、第2篇,熱力學與統(tǒng)計物理初步,道爾頓,葛正權,焦耳,愛因斯坦,卡諾,開爾文,克勞修斯,波義耳,麥克斯韋,波爾茲曼,狄拉克,費米,昂尼斯,玻色,德拜,吉布斯,維恩,普朗克,篇序,研究熱運動的規(guī)律及其對物質宏觀性質的影響 研究物質熱運動與其它運動形態(tài)之間的轉化規(guī)律,一 熱學的研究對象,二研究方法,1.統(tǒng)計物理研究方法,從物質的微觀結構出發(fā)，依據(jù)每個粒子所遵循的力學規(guī)律， 用統(tǒng)計的方法研究宏觀物體的熱力學性質,優(yōu)點：深入熱現(xiàn)象的本質對其作出理論解釋，能夠解釋決定 宏觀物理量的微觀決定因素，物理過程與物理意義清晰,缺點：定量統(tǒng)計，需要理想近似物理模型，因而常帶有近似 色彩，與實驗結果有一定誤差,2.熱

2、力學研究方法,由觀察和實驗總結出熱力學定律；用嚴密的邏輯推理方法研 究宏觀物體的熱力學性質,優(yōu)點：熱力學根據(jù)熱現(xiàn)象給出普遍、可靠的結果，可用來驗 證微觀理論的正確性 缺點：常帶有經(jīng)驗或半經(jīng)驗性質，不能從本質上闡述熱現(xiàn)象 的深刻含義以及宏觀測量對微觀測量的依賴關系,第9章氣體和凝聚態(tài),考慮分子間的相互作用，重點討論氣體和固體的熱性質,聚集態(tài)：無序的分子熱運動與分子間相互作用力造成的有序 運動達到平衡時，所構成的物質穩(wěn)定結構，稱為物質的 凝聚態(tài)或物態(tài) 物態(tài)分類：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài) 凝聚態(tài)：固態(tài)、液態(tài)兩種物態(tài)通常稱為凝聚態(tài) 凝聚態(tài)的微觀結構分類：晶態(tài)、非晶、液晶、超導、超流 等離子、超固態(tài)、中子態(tài),一

3、實際氣體的等溫線實驗結果,9-1范德瓦耳斯方程,GA段：與理想氣體等溫線相似，比容隨壓強減小而增大 AB段：比容減小，壓強不變，氣液共存 BD段：比容幾乎不變，壓強迅速增大，液態(tài)不易壓縮 隨著溫度升高，氣液共存段縮短 T= 31.1C時，出現(xiàn)氣液共存的拐點，稱為臨界點 臨界溫度、臨界壓強、臨界比容稱為臨界參數(shù) 物質處于臨界點時，會出現(xiàn)許多 特殊現(xiàn)象，如強烈散射光產(chǎn)生的 臨界乳光現(xiàn)象 Pc=73.9105Pa Tc=304.19K c=468kg/m3,二范德瓦耳斯方程,1.理想模型剛球模型,rd 時，排斥力趨于無限大 rR 時，吸引力趨于零,2.分子體積(排斥力)引起的修正,1mol分子自由運

4、動的實際體積,標準狀態(tài)下 Vm=2.2410-2m3/mol b 1.210-6m3/mol 當p=109Pa時 Vm=2.2410-6m3/mol,考慮分子體積后，氣體狀態(tài)方程修正為,3.分子引力引起的修正,(1) 容器壁與分子間的相互作用,容器壁與分子間的相互作用不引起壓強修正,(2) 分子間的相互作用,對靠近容器壁的分子，因內部氣體引力引起的壓強修正為 壓強修正正比于器壁附近的分子數(shù)密度 壓強修正正比于容器內部的分子數(shù)密度 上述兩類分子數(shù)密度正比于容器內部分子數(shù)密度n,其中,考慮分子體積、引力后，氣體狀態(tài)方程為,對任意質量的氣體系統(tǒng)，考慮分子體積、引力后，氣體狀 態(tài)方程(范德瓦耳斯方程)

5、可修正為,三范德瓦耳斯方程等溫線,AA段：過飽和氣體或過冷氣體 氣體不液化，但只要有凝聚核， 則迅速凝結云室 BB段：過熱液體 純凈液體不氣化，液體在等溫 減壓下繼續(xù)膨脹，只要有粒子穿 越過熱液體，會迅速形成小氣 泡氣泡室 AB段：實驗中不存在,四實際氣體的內能,1實際氣體的內能計算公式,實際氣體體積從V1膨脹到V2時，勢能改變量,取V2時分之間的勢能為零，即,則實際氣體的內能為,2實際氣體的節(jié)流膨脹實驗,實際氣體節(jié)流膨脹時，系統(tǒng)勢能增加，分子動能減小，溫度 降低制冷原理,例：確定范德瓦耳斯系數(shù)a 和b 與臨界參數(shù)間的關系,解：對1mol氣體，范德瓦耳斯方程為,在臨界狀態(tài)下,聯(lián)立求解上述方程組

6、可得,9-2氣體輸運過程,平均自由程 : 兩剛性分子相鄰兩次碰撞質心之間距離的最 小平均值,平均碰撞頻率 ：單位時間內剛性氣體分子的平均碰撞次數(shù),一平均自由程公式,碰撞模型：認為一個分子以相對速率與其它靜止分子發(fā)生彈 性碰撞,二熱傳導,熱傳導：熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳遞過程(不含分子對流),1 處理輸運過程的一次碰撞假設,氣體分子A進入某平衡態(tài)系統(tǒng)后，經(jīng)一次碰撞，其力學參量 就與平衡態(tài)其它分子力學參量的平均值相同,2 一維熱傳導問題,一方面，熱傳導就是S兩側氣體分子交換能量的結果 另一方面，熱傳導規(guī)律可由實驗確定,(1)熱傳導問題的微觀實質,分子對數(shù)目,由平衡態(tài)各向同性假設,交換一對分子的能量差,由一次碰撞假設，交換一對分子帶來的能量差,聯(lián)立求解上述三式,負號表能量左傳,(2)熱傳導的實驗定律,熱運動能量,熱傳導系數(shù),三粘性,粘力：流動氣體(液體)，流速不等的各流動層間的內摩擦力,(1)粘性問題的微觀實質,分子對數(shù)目,由平衡態(tài)各向同性假設,交換一對分子的能量差,由一次碰撞假設，交換一對分子帶來的能量差,負號表動量下傳,(2)粘性的實驗定律,粘度,四擴散,擴散：混合其體內，由于某