大学物理电子教案第二篇热学课件.ppt
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- 大学物理 电子 教案 第二 热学 课件
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1、1力学力学:研究物体机械运动。研究物体机械运动。研究方法:牛顿力学的确定论研究方法:牛顿力学的确定论。热热 学学:研究物体热运动。研究物体热运动。分子动理论分子动理论:研究热现象的微观理论,研究热现象的微观理论,从物质的微观结构从物质的微观结构出发,运用统计平均的方法揭示热现象的微观本质。出发,运用统计平均的方法揭示热现象的微观本质。热力学热力学:研究热现象的宏观理论,研究热现象的宏观理论,以观察和实验事实为以观察和实验事实为依据,分析研究物态变化中有关热功转换的关系和条件。依据,分析研究物态变化中有关热功转换的关系和条件。研究方法:研究方法:第第 二二 篇篇 热热 学学2一、气体分子运动理论
2、的基本观点一、气体分子运动理论的基本观点*分子观点:分子观点:宏观物体是由大量不连续微粒宏观物体是由大量不连续微粒分子(或分子(或原子)组成的。标准状态原子)组成的。标准状态1mol气体有气体有6.02 1023个分子。个分子。*分子运动观点分子运动观点:气体分子处于永不停息的无规则运动中:气体分子处于永不停息的无规则运动中,空气分子在常温下空气分子在常温下 =500m/s.分子不停地碰撞,标准状态分子不停地碰撞,标准状态下约下约 5 109次次/s。v*统计观点统计观点:大量分子运动的综合作用决定体系的宏观性质大量分子运动的综合作用决定体系的宏观性质反映了气体分子热运动的特征:反映了气体分子
3、热运动的特征:小、多、快、乱。小、多、快、乱。反映了分子热运动和体系宏观性质的联系。反映了分子热运动和体系宏观性质的联系。3二、统计规律性二、统计规律性:大量小球在空间的分布服从大量小球在空间的分布服从统计规律统计规律。伽尔顿板实验伽尔顿板实验.某一小球落入其中那格是某一小球落入其中那格是一个偶然事件。一个偶然事件。人们把这种支配大量粒子人们把这种支配大量粒子综合性质和集体行为的规律性综合性质和集体行为的规律性称为称为统计规律性统计规律性。热运动服从统计规律热运动服从统计规律。研究对象数量的增加必然引起物理规律的变化。研究对象数量的增加必然引起物理规律的变化。这就是哲学上的这就是哲学上的从量变
4、到质变从量变到质变.46.2 6.2 平衡态平衡态 理想气体状态方程理想气体状态方程 6.2.1 6.2.1 热力学系统热力学系统一、热力学系统(简称系统)一、热力学系统(简称系统)由大量微观粒子所组成的宏观客体。由大量微观粒子所组成的宏观客体。开放系统开放系统:系统与外界既有能量传递,又有质量传递。:系统与外界既有能量传递,又有质量传递。孤立系统孤立系统:系统与外界既没能量传递,又没质量传递。:系统与外界既没能量传递,又没质量传递。封闭系统封闭系统:系统与外界只有能量传递,没有质量传递。:系统与外界只有能量传递,没有质量传递。二、系统的外界(简称外界)二、系统的外界(简称外界)能够与所研究的
5、热力学系统发生相互作用的其它物体。能够与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体。56.2.2 6.2.2 系统状态的描述系统状态的描述一、宏观量(状态参量)一、宏观量(状态参量)压强(压强(P)、体积()、体积(V)、温度()、温度(T)(可直接测量)(可直接测量)二、微观量二、微观量 分子的位置、速度、分子的位置、速度、(不可直接测量)(不可直接测量)宏观量宏观量微观量微观量统计方法统计方法 一、平衡态:一、平衡态:孤立的热学系统经过很长时间后宏观量孤立的热学系统经过很长时间后宏观量(压强、温度、分子数密度)(压强、温度、分子数密度)达到不随时间改变的稳定状达到不随时间改变的稳定状态(热动
6、态(热动平衡状态)。平衡状态)。平衡态在平衡态在PV PV 图上用一点来表示。图上用一点来表示。6.2.3 6.2.3 平衡态和平衡过程平衡态和平衡过程66.2.4 6.2.4 理想气体的状态方程理想气体的状态方程一、气体的状态方程一、气体的状态方程:反映反映平衡态下平衡态下P P、V V、T T间的关系。间的关系。二、二、平衡过程平衡过程:系统从一个平衡态变化到另一平衡态系统从一个平衡态变化到另一平衡态,所所经历的一系列中间状态都无限接近平衡态的过程。经历的一系列中间状态都无限接近平衡态的过程。平衡过程在平衡过程在 pV 图上用一条曲线表示。图上用一条曲线表示。pv平衡态1平衡过程平衡态27
7、理想气体的状态方程理想气体的状态方程RTMmPV 二、理想气体二、理想气体:绝对遵循克拉伯珑方程的气体。绝对遵循克拉伯珑方程的气体。)(摩尔气体常数:摩尔气体常数:KmolJTVPR31.8000PTNRVNVRTNNVRTMm)(00nkTKJNRkVNn2301038.1玻尔兹曼常数:玻尔兹曼常数:分子数密度:分子数密度:理想气体的状态方程的另一种表达式理想气体的状态方程的另一种表达式8【例题【例题6 61 1】容积容积V=30LV=30L的高压钢瓶内装有的高压钢瓶内装有P=130atmP=130atm的氧的氧气,做实验每天需用气,做实验每天需用P P1 1=1atm=1atm和和V V1
8、 1=400L=400L的氧气,规定氧气的氧气,规定氧气压强不能降到压强不能降到P P2 2=10atm=10atm以下,以免开启阀门时混进空气。以下,以免开启阀门时混进空气。试计算这瓶氧气使用几天后就需要重新充气。试计算这瓶氧气使用几天后就需要重新充气。,11122RTMVPmRTVMPmRTPVMm天)(9)(112VPVPP解:解:设瓶内原装氧气的质量为设瓶内原装氧气的质量为m,m,重新充气时瓶内重新充气时瓶内剩余氧气的质量为剩余氧气的质量为m m2 2,每天用氧的质量为每天用氧的质量为m m1 1,则按理想则按理想气体的状态方程有:气体的状态方程有:12mmm可用天数:9222222k
9、TPnkTnP111111kTPnkTnP解:解:VnnN)(12kVTPTPN)(1122个)个)(1089.118多少个分子。问:升温后释放出托为出来,若烘烤后压强增附在器壁上的分子释放的烘箱内烘烤,使吸放在为提高真空度,将系统托,时的真空系统在容积为.100.1300100.127102.1122251133PCtPCtmoo【例题【例题6 62 2】PammHgPammHgatm251033.11110013.1760)1托大气压(10mPkTl931523311034.310013.12731038.1)2(约为分子直径的约为分子直径的1010倍)倍)。的平均距离的平均距离的情况下气
10、体分子间的情况下气体分子间,温度为,温度为)求压强为)求压强为(的关系。的关系。、温度、温度与压强与压强离离)气体分子间的平均距)气体分子间的平均距试求(试求(lCatmTPlo0121【例题【例题6 63 3】31PkTl311lNVnVNnnkTP)(解:解:11*气体分子热运动的特征:小、多、快、乱。小、多、快、乱。宏观量微观量统计方法*个别分子运动(微观量)无序 大量分子运动(宏观量)有序(统计规律)126.3 6.3 压强和温度的微观解释压强和温度的微观解释6.3.1 6.3.1 理想气体压强公式理想气体压强公式 一、一、基本假设基本假设 *理想气体分子微观模型假设:理想气体分子微观
11、模型假设:分子当作质点,不占体积;分子当作质点,不占体积;除碰撞外不计分子之间,分子和器壁之间的相互作用;除碰撞外不计分子之间,分子和器壁之间的相互作用;除需特别考虑外不计分子的重力;除需特别考虑外不计分子的重力;弹性碰撞弹性碰撞(能量守恒、动量守恒能量守恒、动量守恒);分子运动分子运动服从牛顿力学。服从牛顿力学。理想气体分子像一个个极小的理想气体分子像一个个极小的彼此间无相互作用彼此间无相互作用的的遵守牛顿力学规律的遵守牛顿力学规律的弹性质点弹性质点13*统计假设统计假设:若忽略重力影响,达到平衡态时分子按位置的分若忽略重力影响,达到平衡态时分子按位置的分 布是均匀的布是均匀的,即分子数密度
12、到处一样即分子数密度到处一样.平衡态时,分子速度沿各方向分量的各种平均值平衡态时,分子速度沿各方向分量的各种平均值 相等。相等。322z2y2xvvvv zyxvvv14 二、压强公式的推导二、压强公式的推导容器中有容器中有N N个质量均为个质量均为的分子的分子123lllxyzo给予器壁的冲量:给予器壁的冲量:i i分子与器壁分子与器壁A A碰撞一次碰撞一次获得的动量增量:获得的动量增量:i iA Avixvixvixixixvvv2ixv21 1秒钟内秒钟内i i分子与器壁分子与器壁A A的碰撞次数的碰撞次数:12lvix151 1秒钟给予器壁的冲量秒钟给予器壁的冲量=i=i 分子给器壁的
13、平均冲力分子给器壁的平均冲力tIF则则i i 分子给器壁的平均冲力分子给器壁的平均冲力:12122lvvlvixixixN N 个分子的平均冲力:个分子的平均冲力:NiixlvF112N N 个分子给予器壁的压强个分子给予器壁的压强:21232132112xNiixNiixvnNvll lNlllvSFP123lllxyzoA A16压强公式压强公式knP32 分子热运动平均平动动能分子热运动平均平动动能221vk其中:其中:由统计假设:由统计假设:222zyxvvv又:又:2222vvvvzyx322vvx)21(323222vnvnvnPx17对个别分子运用力学定律对个别分子运用力学定律,
14、对大量分子整体运用统计规律。对大量分子整体运用统计规律。*推导压强公式的思想方法推导压强公式的思想方法:*压强公式的意义:压强公式的意义:.,),(说明了压强的微观本质说明了压强的微观本质统计平均值之间的联系统计平均值之间的联系的的与分子热运动的微观量与分子热运动的微观量反映了宏观量反映了宏观量knp*相互间不起反应的混合气体相互间不起反应的混合气体道尔顿定律道尔顿定律nPPPP21三、讨论三、讨论:*推导压强公式的依据:推导压强公式的依据:(1 1)体系处于平衡态)体系处于平衡态(2 2)理想气体的微观模型)理想气体的微观模型(3 3)两个统计假设)两个统计假设18四、温度的微观解释四、温度
15、的微观解释理想气体的状态方程理想气体的状态方程 nkTP knP32压强公式压强公式kTk23古代古代:“:“冰炭不同器冰炭不同器”当代科学实验室里所能产生的温度当代科学实验室里所能产生的温度:kk8810210现代科学对温度的认知范围现代科学对温度的认知范围:kk8381010 温度的统计意义:温度的统计意义:温度标志物体内部分子热运动剧烈的程度温度标志物体内部分子热运动剧烈的程度,是分子热运是分子热运动平均平动动能大小的量度动平均平动动能大小的量度,亦是大量分子热运动的统计亦是大量分子热运动的统计平均结果平均结果.19KT3810910810710610510410310210101101
16、210310410510610710810温温度度大大观观大爆炸后的宇宙温度大爆炸后的宇宙温度宇宙微波背景辐射(宇宙微波背景辐射(2.735K)稀释制冷稀释制冷宇宙宇宙He合成合成热核聚变温度(太阳中心温度)热核聚变温度(太阳中心温度)太阳表面温度(太阳表面温度(6000K)室温室温核自旋制冷核自旋制冷20地球的平均温度为地球的平均温度为15150 0 C(288k),10 C(288k),109 9种生物得以生存种生物得以生存假如大气中假如大气中COCO2 2含量加倍含量加倍:则则:由于温室效应地球的平均温度将升高由于温室效应地球的平均温度将升高3 30 0C C海平面将上涨海平面将上涨2
17、25 5米米,可使农业减产可使农业减产25%,25%,迫使迫使1010亿人背井离乡亿人背井离乡.冰河期冰河期:平均温度仅下降平均温度仅下降10100 0C C左右左右,就使大批物种灭绝就使大批物种灭绝.可见可见,我们安乐的家园我们安乐的家园地球生物圈,在温度地球生物圈,在温度变化面前是何等的脆弱变化面前是何等的脆弱21高悬天际蔚蓝的地球高悬天际蔚蓝的地球失控的温室效应造成失控的温室效应造成高达高达4600C的干热金星的干热金星失控的冰川效应造成的失控的冰川效应造成的零下几十度的冰冷火星零下几十度的冰冷火星2223混合气体的压强为:混合气体的压强为:)()()(221221322132vnnvn
18、P能能混混合合气气体体的的平平均均平平动动动动其其中中:221vkTvvv232121212222211混合气体的温度相同,混合气体的温度相同,212222211121322132PPvnvnP321321nnnnnnnN则混合气体的数密度则混合气体的数密度,、数密度分别为数密度分别为体,体,种相互不反应的不同气种相互不反应的不同气设有设有证:证:导出道尔顿定律导出道尔顿定律由压强公式和温度公式由压强公式和温度公式【例题【例题6 64 4】)21(322vnPkTv2321224 6.4 6.4 能量均分定理能量均分定理 理想气体的内能理想气体的内能 一、一、单原子分子的自由度单原子分子的自由
19、度(如如He)He)同质点,具有同质点,具有 3 3 个个平动自由度平动自由度,用,用 t t=3=3 表示。表示。6.4.16.4.1自由度自由度(i):(i):确定一物体在空间位置所需的独立坐标数确定一物体在空间位置所需的独立坐标数.xyzG.二、二、刚性双原子分子的自由度刚性双原子分子的自由度(如如 H H2 2)zxyo o 质心平动自由度:质心平动自由度:t t=3=31coscoscos222所以只有两个独立坐标,称为所以只有两个独立坐标,称为转动自由度转动自由度,表示为,表示为 r r=2=2。两原子连线定位:两原子连线定位:刚性双原子分子总自由度数:刚性双原子分子总自由度数:i
20、=t+r=3+2=525三、三、刚性三原子分子的自由度刚性三原子分子的自由度(如如H H2 2O)O)刚性三原子分子总自由度数:刚性三原子分子总自由度数:i=t+r=3+3=6四、刚性多原子(三个以上)组成的分子的四、刚性多原子(三个以上)组成的分子的 总自由度数同刚性三原子分子总自由度数同刚性三原子分子 考虑考虑 3 号原子绕号原子绕 1、2 号号连线转动,需一角量连线转动,需一角量 ,为转动自由度。为转动自由度。123xyzo o 注:在本章中我们只讨论刚性分子注:在本章中我们只讨论刚性分子,即不讨论振动自由度即不讨论振动自由度.26自由度自由度转动转动平动平动刚性分子的自由度刚性分子的自
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