第七章温度、气体动理论共71页课件.ppt
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- 第七 温度 气体 理论 71 课件
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1、v蒸汽机车是19世纪工业革命的象征一一. 热学的研究对象热学的研究对象 热学是以热学是以研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影响,研究热运动的规律及其对物质宏观性质的影响,以及与物质其他运动形态之间的转化规律以及与物质其他运动形态之间的转化规律为任务的。所谓为任务的。所谓热运动热运动即组成宏观物体的大量微观粒子的一种永不停息的即组成宏观物体的大量微观粒子的一种永不停息的无规运动。无规运动。二二. 热学的研究方法热学的研究方法宏观方法:宏观方法:把系统看成一个整体,从基本的热力学定律把系统看成一个整体,从基本的热力学定律(这些定律是从这些定律是从观察、实验中总结出来的观察、实验中总结出来的)出发
2、,通过严密的逻辑推理的方法研究系统的出发,通过严密的逻辑推理的方法研究系统的各种各种宏观性质宏观性质及其变化规律。及其变化规律。热力学(第热力学(第7、8、9章)章)微观方法:微观方法:依据微观粒子热运动所满足的力学定律,通过统计的方法依据微观粒子热运动所满足的力学定律,通过统计的方法研究系统的宏观性质,并揭示各种热现象的本质研究系统的宏观性质,并揭示各种热现象的本质统计物理学统计物理学l 宏观方法和微观方法是描述同一物理现象的两种不同方法。宏观方法和微观方法是描述同一物理现象的两种不同方法。三三. 热学课程的特点热学课程的特点l 宏观描述和微观描述相结合。宏观描述和微观描述相结合。l 概念性
3、强、数据处理繁。概念性强、数据处理繁。l 采用统计方法。采用统计方法。平衡态平衡态7.2 7.2 温度的概念温度的概念7.3 7.3 理想气体温标理想气体温标7.47.4 理想气体状态方程理想气体状态方程7.5 气体分子的无规则运动气体分子的无规则运动7.6理想气体的压强理想气体的压强7.7 温度的微观意义温度的微观意义7.8能量均分定理能量均分定理7.9麦克斯韦速率分布律麦克斯韦速率分布律7.10麦克斯韦速率分布律的实验验证麦克斯韦速率分布律的实验验证7.11实际气体等温线实际气体等温线一一. 热力学系统热力学系统 热力学系统热力学系统外界外界 把研究的对象视为一个系统,称为把研究的对象视为
4、一个系统,称为热力学系统,热力学系统,而系统以而系统以外的物体则称为外的物体则称为外界。外界。 二二. 宏观与微观宏观与微观宏观描述与宏观量:宏观描述与宏观量:宏观描述即对系统状态从整体上加以描述宏观描述即对系统状态从整体上加以描述的方法。整体上描述系统状态的物理量称为宏观量。例:气体的方法。整体上描述系统状态的物理量称为宏观量。例:气体的的P P、V V、T T、E E等。一般能被人的感官所觉察到。等。一般能被人的感官所觉察到。微观描述与微观量:微观描述与微观量:通过对微观粒子的运动状态的说明而对系统通过对微观粒子的运动状态的说明而对系统状态加以描述。描述微观粒子的运动状态的物理量称为微观量
5、。状态加以描述。描述微观粒子的运动状态的物理量称为微观量。例:分子的例:分子的m m、v v、 等。一般不可直接测量,不能被观察到。等。一般不可直接测量,不能被观察到。宏观与微观的关系:宏观与微观的关系:微观粒子的热运动与系统的各种宏观热现微观粒子的热运动与系统的各种宏观热现象之间存在着内在的联系。象之间存在着内在的联系。宏观量等于微观量的统计平均值。宏观量等于微观量的统计平均值。(1 1)宏观物体所发生的各种现象是所包含的大量微观粒子运动)宏观物体所发生的各种现象是所包含的大量微观粒子运动的集体表现;的集体表现;(2 2)求微观量的统计平均值了解宏观规律的本质)求微观量的统计平均值了解宏观规
6、律的本质三三. 平衡态平衡态 在不受外界影响的条件下,系统的在不受外界影响的条件下,系统的宏观性质宏观性质不随时间改变不随时间改变的状态,称为的状态,称为平衡态。平衡态。 平衡态是一种平衡态是一种动态平衡动态平衡状态。状态。 微观上,系统并不是静止不变的,组成系统的大量微观上,系统并不是静止不变的,组成系统的大量分子在不停运动着,大量分子微观运动总效果随时间分子在不停运动着,大量分子微观运动总效果随时间不停地急速地变化着,只是其总的平均效果不随时间不停地急速地变化着,只是其总的平均效果不随时间变化。变化。 平衡态是一种平衡态是一种理想模型理想模型。一个实际的系统总要受到外界的干扰,严格的一个实
7、际的系统总要受到外界的干扰,严格的不随时间变化的平衡态是不存在的。不随时间变化的平衡态是不存在的。四四. 状态参量状态参量1. 状态参量:状态参量:描述热力学系统平衡态的宏观性质的物理量。描述热力学系统平衡态的宏观性质的物理量。例:例:P、T、V、E、S .2. 气体的状态参量:气体的状态参量:压强(压强(P)、体积()、体积(V)、温度()、温度(T)物)物质的质量质的质量m,M 压强(压强(P):气体压强是气体作用于容器壁单位面积上的力。气体压强是气体作用于容器壁单位面积上的力。单位:帕斯卡(单位:帕斯卡(Pa)、大气压()、大气压(atm)Paatm510013. 11(力学参量)(力学
8、参量)体积(体积(V):):分子热运动所能达到的空间,即容器的体积。分子热运动所能达到的空间,即容器的体积。 单位立方米(单位立方米(m3)、升()、升(L)温度(温度(T):):互为热平衡的系统所具有的一个共同的宏观性互为热平衡的系统所具有的一个共同的宏观性质,称为系统的温度。质,称为系统的温度。 宏观意义宏观意义温标:温度的定量表示。温标:温度的定量表示。摄氏温标:摄氏温标:t(0C)热力学温标:热力学温标:T(K)15.273Tt导热板导热板A A、B B 两系统达到热平衡两系统达到热平衡 时,两系统具有一个共同时,两系统具有一个共同的宏观性质的宏观性质 温度温度 。(几何参量)(几何参
9、量)(热学参量)(热学参量)五五. 状态方程状态方程1. 状态方程:状态方程:系统处于平衡态,其系统处于平衡态,其状态参量(状态参量(P,V,T)之)之间满足一定的关系,即间满足一定的关系,即 f(P, V, T)=02. 理想气体状态方程理想气体状态方程K)J/(mol31. 8R气体普适常量气体普适常量玻意尔定律玻意尔定律:一定质量的气体,在一定温度下,其压强和体积的:一定质量的气体,在一定温度下,其压强和体积的乘积是个常数乘积是个常数 .RTMmpV 理想气体宏观定义理想气体宏观定义:在各种压强下都严格遵守玻意尔定律的气体:在各种压强下都严格遵守玻意尔定律的气体 . 一一. 热平衡热平衡
10、 将两个物体(或多个物体)放到一起使之接触并不受外界将两个物体(或多个物体)放到一起使之接触并不受外界干扰,经过足够长的时间,它们共同达到的一种平衡态。干扰,经过足够长的时间,它们共同达到的一种平衡态。 热平衡与平衡态的热平衡与平衡态的联系和联系和区别区别联系:联系:系统都处于平衡态。系统都处于平衡态。区别:区别:对象不同对象不同一个系统平衡态:两个或两个以上的系统热平衡: 温度:温度:是描述多个系统(或一个系统的各部分)处于热是描述多个系统(或一个系统的各部分)处于热平衡时所用的一个宏观状态参量。平衡时所用的一个宏观状态参量。处于热平衡的多个物体处于热平衡的多个物体具有相同的温度。具有相同的
11、温度。两个或多个相互接触的物体,当它们的两个或多个相互接触的物体,当它们的温度相等时,它们就达到了热平衡。温度相等时,它们就达到了热平衡。二二. 热力学第零定律热力学第零定律 如果系统如果系统A A和系统和系统B B分别与系统分别与系统C C的同一状态处于热平衡,那的同一状态处于热平衡,那么当么当A A和和B B接触时,它们也必定处于热平衡。接触时,它们也必定处于热平衡。A AC CB B传热壁传热壁绝热壁绝热壁处于共同的平衡态也达热平衡与实验结果:将达热平衡与将达热平衡与时当处于各自的平衡态原来ABCBACBCAtABC 一一. 理想气体理想气体1. 玻意耳定律:玻意耳定律:一定质量的气体,
12、在一定温度下,其压强一定质量的气体,在一定温度下,其压强P和和体积体积V的乘积是个常量,即:的乘积是个常量,即:2. 理想气体:理想气体:就是在各种压强下都严格遵守玻意耳定律的气体。就是在各种压强下都严格遵守玻意耳定律的气体。PV=常量(T不同,常量不同)二二. 理想气体温标理想气体温标1. 标准温度定点:标准温度定点:国际上规定:固定点选取水的三相点并严格国际上规定:固定点选取水的三相点并严格规定它的温度为规定它的温度为 273.16K。3333 16.273 ,&VPPVTTKTTPV得则由2. 理想气体温标定义式的推导理想气体温标定义式的推导P3,V3一定质量理想气体在水的三相点温度下的
13、压强和体积。一定质量理想气体在水的三相点温度下的压强和体积。P,V表示该理想气体在任意温度下的压强和体积。表示该理想气体在任意温度下的压强和体积。3333316.273VPPVVPPVTT上式表明:知PV,即可求T3. 定体(或定压)气体温标定体(或定压)气体温标 实际上测定温度时,总是保持一定质量的气体的体积(或压强)实际上测定温度时,总是保持一定质量的气体的体积(或压强)不变而测它的压强(或体积)。不变而测它的压强(或体积)。3316.273)(16.273)(VVVTPPPT定压气体温标:定体气体温标: 理想气体温标利用了气体的性质,在气体要液化的温度下就理想气体温标利用了气体的性质,在
14、气体要液化的温度下就不适用了。不适用了。)(59320FttF三三. 热力学温标(绝对温标)热力学温标(绝对温标)一种不依赖于任何物质的特性的温标。一种不依赖于任何物质的特性的温标。热力学温度(绝对温度)符号: T , 单位:开尔文(K)1. 热力学温标与理想气体温标的关系热力学温标与理想气体温标的关系理想气体温标在它所能确定的温度范围内等于热力学温标。理想气体温标在它所能确定的温度范围内等于热力学温标。2. 热力学温标与摄氏温标的关系热力学温标与摄氏温标的关系)( 15.273)( 15.2730KtTCTt3. 华氏温标与摄氏温标的关系华氏温标与摄氏温标的关系4. 热力学第三定律:热力学第
15、三定律:热力学零度(也称绝对零度)是不能达到的。 )/(31. 81)0 ,1 (, 00,000,00,000000,0000333kmolJTVPRTVPmolVCatmTVPTVPTVPTPVVPPVTTmmmm定义普适气体常量:常量。因此,都相同。的各种理想气体的体积在同温同压下,由阿伏伽德罗定律知,为摩尔体积。下相应的状态参量值,为标准状态其中常量想气体有:对于一定质量的同种理得,:由理想气体温标定义式一一. 理想气体状态方程的推导理想气体状态方程的推导 RTMmPVRTPV或理想气体状态方程理想气体状态方程二二. 几个常量几个常量1. 阿伏伽德罗常量:阿伏伽德罗常量:NA=6.02
16、31023 (个个/mol)2. 玻耳兹曼常量:玻耳兹曼常量:k=R/NA=1.3810-23 (J/K)为气体分子数密度。其中或或VNnnkTPNkTPVRTMmPVkNRRTPVA ,为气体分子数密度。其中或或VNnnkTPNkTPVRTMmPVkNRRTPVA ,理想气体理想气体状态方程状态方程解:(1) RTpV )(1031. 810013. 110)15.27347(31. 8)1032/10. 0(3353mpRTV (2)RTMmRTVp )(1067. 6)15.27327(31. 81031. 810013. 110)8/5(10322353kgRTVMpm )(1033.
17、 31067. 610. 022kgmmm P207 例例7.1 7.2第七章第七章 气体动理论气体动理论一一. 气体分子热运动的微观模型气体分子热运动的微观模型 宏观物质由大量的分子组成。宏观物质由大量的分子组成。 每个分子都在作不停的运动每个分子都在作不停的运动热运动。由于分子之间频热运动。由于分子之间频繁的碰撞,分子的运动是杂乱无章的。繁的碰撞,分子的运动是杂乱无章的。 气体分子之间有相互作用力(但一般较小)。气体分子之间有相互作用力(但一般较小)。引引 言言二二. 分子热运动的统计规律分子热运动的统计规律 个别分子的运动是杂乱无章的,但大量分子运动的集体表个别分子的运动是杂乱无章的,但
18、大量分子运动的集体表现存在着一定的统计规律。现存在着一定的统计规律。扔骰子扔骰子统计物理关心两件事:统计物理关心两件事:分布分布平均值平均值 对于由对于由大量大量分子组成的热力学分子组成的热力学系统系统从从微微观上加以研究观上加以研究时时, 必须用必须用统计统计的方法的方法. 一一 了解了解气体分子热运动气体分子热运动. 二二 理解理解理想气体的压强公式,理想气体的压强公式, 通过推导气体通过推导气体压强公式,了解从提出模型、进行统计平均、建立压强公式,了解从提出模型、进行统计平均、建立宏观量与微观量的联系,到阐明宏观量的微观本质宏观量与微观量的联系,到阐明宏观量的微观本质的思想和方法的思想和
19、方法 . 能从宏观和微观两方面理解压强和能从宏观和微观两方面理解压强和温度等概念温度等概念 . 了解系统的宏观性质是微观运动的统了解系统的宏观性质是微观运动的统计表现计表现 . 三三 了解了解自由度概念,自由度概念,理解理解能量均分定理,会能量均分定理,会计算理想气体(刚性分子模型)计算理想气体(刚性分子模型) 内能内能 . 五五 了解了解气体分子平均碰撞次数和平均自由气体分子平均碰撞次数和平均自由程程 . 四四 了解了解麦克斯韦速率分布律、麦克斯韦速率分布律、 速率分布速率分布函数和速率分布曲线的物理意义函数和速率分布曲线的物理意义 . 了解了解气体分子气体分子热运动的三种统计速度热运动的三
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