6第六章气体动理论基础.docx
《6第六章气体动理论基础.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《6第六章气体动理论基础.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
6第六章气体动理论基础
第三篇热学
热学是研究物质的各种热现象的性质和变化规律的一门学科。
与温度有关的现象称为热现象。
从微观看，热现象就是宏观物体内部大量分子或原子等微观粒子的永不停息的、无规则热运动的平均效果。
18到19世纪，由于蒸汽机的广泛应用，有力推动了热现象及规律的研究。
由迈耶）、焦耳、亥姆霍兹等人建立了与热现象有关的能量转化和守恒定律，即热力学第一定律。
接着开尔文、克劳修斯等人建立了描述能量传递方向的热力学第二定律。
这种以观察和实验为基础，运用归纳和分析方法总结出热现象的宏观理论称为热力学。
另一种研究热现象规律的方法是从物质的微观结构和分子运动论出发，以每个微观粒子遵循力学规律为基础，运用统计方法，导出热运动的宏观规律，再由实验确认。
用这种方法所建立的理论系统称为统计物理学。
19世纪由克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼、吉布斯等人在经典力学基础上建立起经典统计物理。
20世纪初，由于量子力学的建立，狄拉克、爱因斯坦、费米、玻色等人又创立了量子统计物理。
热学包括统计物理和热力学两部分。
热力学的结论来自实验，可靠性好，但对问题的本质缺乏深入了解。
统计物理的分析对热现象的本质给出了解释，但是只有当它与热力学结论相一致时，统计物理才能得到确认，因此，两者相辅相成，缺一不可。
第六章气体动理论基础
教学时数：
7学时
本章教学目标
了解热学的研究对象，理解平衡态、温度的物理意义，了解热力学第零定律、理想气体分子模型；理解理想气体的压强公式，温度的统计解释，以及气体分子的方均根速率、能量均分定理的物理意义；理解麦克斯韦分子速率分布定律、分子速率的三个统计值和分子平均自由程的含义。
教学方法：
讲授法、讨论法等
教学重点：
理解理想气体的压强公式，温度的统计解释，以及气体分子的方均根速率、能量均分定理的物理意义；
§6—1平衡态温度理想气体状态方程
一、平衡态
热学的研究对象是大量微观粒子（分子、原子等微观粒子）组成的宏观物体，通常称这样的研究对象为热力学系统，简称系统。
系统与外界之间既有能量交换（例如作功、传递热量），又有物质交换（例如蒸发、凝结、扩散、泄漏）。
根据系统与外界交换特点，通常把系统分为三种：
一种是不受外界影响的系统，称为孤立系统。
孤立系统是与外界既无能量交换，又无物质交换的理想系统。
另一种是封闭系统，与外界只有能量交换，而无物质交换的系统。
第三种是开放系统，与外界既有能量交换，又有物质交换的系统。
平衡态：
热力学系统按所处的状态不同，可以区分为平衡态系统和非平衡态系统对于一个不受外界影响的系统，不论其初始状态如何，经过足够长的时间后，必将达到一个宏观性质不再随时间变化的稳定状态，这样的状态称为热平衡态，简称。
在此我们必须注意平衡态的条件是：
“一个不受外界影响的系统”。
若系统受到外界的影响，如把一金属棒的一端置入沸水中，另一端放入冰水中，在这样的两个恒定热源之间，经过长时间后，金属棒也能达到一个稳定的状态，称为定态，但不是平衡态，因为在外界影响下，不断地有热量从金属棒高温热源端传递到低温热源端。
系统处于平衡态时，必须同时满足两个条件：
一是系统与外界在宏观上无能量和物质的交换；
二是系统的宏观性质不随时间变化。
换言之，系统处于热平衡态时，系统内部任一体元均处于力学平衡、热平衡（温度处处相同）、相平衡（无物态变化）和化学平衡（无单方向化学反应）之中。
孤立系统的定态就是平衡态。
注意：
（1）平衡态仅指系统的宏观性质不随时间变化，从微观的角度来说，组成系统的大量粒子仍在不停地、无规则地运动着，只是大量粒子运动的平均效果不变，这在宏观上表现为系统达到平衡，因此这种平衡态又称热动平衡态。
（2）热平衡态是一种理想状态。
实际中并不存在孤立系统，但当系统受到外界的影响可以略去，宏观性质只有很小变化时，系统的状态就可以近似地看作平衡态。
反之，如果系统不具备两个平衡条件之一的状态，都叫非平衡态。
如存在未被平衡的力，则会出现物质流动；如果存在冷热不一致（温差），则会出现热量流动；
如果存在未被平衡的相（物态）则会出现相变（物态变化）；
如果存在单方向化学反应，则会出现成分的变化（新物质增加，旧物质减少），即系统中存在任何一种流或变化时（宏观过程），系统的状态都不是平衡状态。
系统的状态参量：
系统在热平衡状态下，拥有各种不同的宏观属性，如几何的（体积）、力学的（压强）、热学的（温度）、电磁的（磁感应强度、电场强度）、化学的（摩尔质量、摩尔数）等等。
用来描写热平衡态下各种宏观属性的物理量叫系统的宏观参量。
从诸多参量中选出来描写系统热平衡态的一组相互独立的宏观参量叫系统的状态参量。
对于给定的气体、液体和固体，常用体积（P）、压强（p）和温度（r）等宏观参量实验表明，这些宏观参量在平衡态下，它们各有确定的值，且不随时间变化。
平衡态不是孤立系统所特有的。
对于封闭系统和开放系统，同样可以出现平衡态，但一旦到达平衡态，系统和外界之间必定停止能量和质量的交换。
处在恒定外力场中的系统，平衡态时粒子数的空间分布、压强分布等也不是均匀的，如地面附近空气分子在重力场中的分布。
需要指出的是，每一个运动着的微观粒子（原子、分子等）都有其大小、质量、速度、能量等，这些用来描述个别微观粒子特征的物理量称为微观量。
而在实验中观测得到的气体体积、压强、温度、热容量等都是宏观量，即描述大量微观粒子（分子或原子）的集体量叫宏观量。
气体动理论的任务之一就是要揭示气体宏观量的微观本质，即建寺宏观量与微观量统计平均值之间的关系。
二、温度
温度表征物体的冷热程度。
温度概念的建立是以热平衡为基础的。
假设有A，B两个系统，各自处在一定的平衡态。
现使A，B两系统相互接触，让两系统之问发生传热，一般地，两系统的状态都会发生变化经过一段时间后，两个系统的状态不再发生变化，两系统就处在一个新的共同的平衡态。
即使两系统分开，它们仍然保持这个平衡态。
热力学第零定律：
实验结果表明，如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么，这两个系统彼此也处于热平衡。
这个结论称热力学第零定律。
热力学第零定律说明，处在相互热平衡状态的系统必定拥有某一个共同的宏观物理性质。
若两个系统的这一共同性质相同，当两系统热接触时，系统之间不会有热传导，彼此处于热平衡状态；若两系统的这一共同性质不相同，两系统热接触时就会有热传递，彼此的热平衡态会发生变化决定系统热平衡的这一共同的宏观性质称为系统的温度。
也就是说，温度是决定一系统是否与其它系统处于热平衡的宏观性质。
A，B两系统热接触时，如果彼此处于平衡态，则说两系统温度相同；如果发生A到B的热传导，则说A的温度比B的高一切互为热平衡的系统具有相同的温度。
热力学第零定律也指出了比较和测量温度的方法。
由于一切处于相互热平衡的系统具有相同的温度，这是用温度计测量温度的依据；温度计是测温的工具；温度的数值表示方法叫温标。
建立一种经验温标需要三个要素：
选择某种物质（叫测温物质）的某一随温度变化的属性（叫测温属性）来表示温度；对测温属性随温度的变化作出规定；选择两个固定点，用以确定温度的零点和单位。
※常用温标
摄氏温标，是用液体（酒精或水银）作测温物质，用液柱高度随温度变化作测温特性并规定纯水在一个标准大气压下的冰点为O℃，汽点为100℃，并认定液柱高度（体积）随温度作线性变化。
在O到100度之间等分分度，一分表示10C。
热力学温标：
开尔文（KeNin）在热力学第二定律的基础上建立的，称热力学温标。
用T表示热力学温度，单位用开（K），是SI制中七个基本单位之一，并规定水的三相点（水，冰和水蒸汽平衡共存的状态）为273.16K，热力学温度与摄氏温度的关系为
T=t+273.15
即规定热力学温标的273.15K为摄氏温标的零度。
三、理想气体状态方程
理想气体：
实验表明，当系统处于热平衡态时，描写该状态的各个状态参量之间存在一定的函数关系，我们把热平衡态下，各个状态参量之间的关系式叫系统的状态方程式。
状态方程式的具体形式是由实验来确定的，比如实验告知，在压强不太大（与大气压相比）、温度不太低（与室温比）的条件下，各种气体都遵守三大实验定律：
玻意尔定律，查理定律，盖一吕萨克定律。
在任何情况下都能严格遵从上述三个实验定律的气体称为理想气体。
由气体的三个实验定律得到一定质量的理想气体状态方程为：
式中p，V，T为理想气体在某一平衡态下的三个状态参量；
Mmol为气体的摩尔质量；
M为气体的质量；
R为普适气体常量，国际单位制中R=8.3lJ·moI-1·K-1；
p为气体压强；
T为气体温度的热力学温标；
V为气体分子的活动空间。
在常温常压下，实际气体都可近似地当作理想气体来处理压强越低，温度越高，这种近似的准确度越高。
§6—2理想气体压强公式
一、分子模型
从分子运动和分子相互作用来看，理想气体的分子模型为：
1、分子可以看作质点
在标准状态下，气体分子间的平均距离约为分子有效直径的50倍气体越稀薄，分子间距比其有效直径更大，所以，一般情况下，气体分子可视为质点。
2、除碰撞外，分子力可以略去不计
由于气体分子间距很大，除碰撞瞬间有力作用外，分子间的相互作用力可以忽略。
因此，在两次碰撞之间，分子作匀速直线运动，即自由运动。
3、分子间的碰撞是完全弹性的
由于处于平衡态下气体的宏观性质不变，这表明系统的能量不因碰撞而损失因此分子间及分子与器壁之间的碰撞是完全弹性碰撞。
综上所述，理想气体的分子模型是弹性的自由运动的质点。
二、分子性质
理想气体在平衡态下：
1、平均而言，沿各个方向运动的分子数相同
2、气体的性质与方向无关，即各个方向上速率的各种平均值相等，如
3、不因碰撞而丢失具有某一速度的分子。
下面推导平衡态下理想气体的压强公式。
假设有一边长分别为l，l，l，的长方形容器，贮有N个质量为m的同类气体分子。
如图所示，在平衡态下器壁各处压强相同，任选器壁的一个面，例如选择与x轴垂直的A面，计算其所受压强。
在大量分子中，任选一个分子i，设其速度为
当分子i与器壁A1碰撞时，由于碰撞是完全弹性的，故该分子在x方向的速度分量由vix变为-vix，所以在碰撞过程中该分子的x方向动量增量为
Δpix=（-mvix）–（mvix）=-2mvix
又由牛顿第三定律知，分子i在每次碰撞时对器壁的冲量为2mvix。
分子i在相继两次与A1面碰撞过程中，在x轴上移动的距离为2l1，因此分子i相继两次与A1面碰撞的时间间隔为Δt=2l1/vix，那么，单位时间内分子i对A1面的碰撞次数Z=I/Δt=vix/2l1，
所以单位时间内i分子对A1面的冲量，
根据动量定理，该冲量就是i分子对A1面的平均冲力
即
所有分子对A1面的平均作用力为上式对所有分子求和，
由压强定义有：
式中表示分子的平动动能的平均值，简称分子的平均平动动能，用表示，
则，称为理想气体的压强公式，压强公式建立了宏观量p与微观量的统计平均值和n之间的相互关系，表明了压强是个统计量。
§6—3温度的统计解释
一、温度的统计解释
温度是热学中特有的一个物理量，它在宏观上表征了物质冷热状态的程度。
将理想气体状态方程改写为如下表达式
令，k为玻尔兹曼常量。
于是理想气体状态方程改写为：
p=nkT
现将压强公式与比较，可得
给出了宏观量温度T与微观量的统计平均值的关系，揭示了温度的微观本质，即温度是气体分子平均平动动能的量度。
如果各种气体有相同的温度，则它们的分子平均平动动能均相等；如果一种气体的温度高些，则这一种气体分子的平均平动动能要大些。
按照这个观点，热力学温度零度将是理想气体分子热运动停止时的温度，然而实际上分子运动是永远不会停息的，热力学温度零度也是永远不可能达到的而且近代量子理论证实，即使在热力学温度零度时，组成固体点阵的粒子也还保持着某种振动的能量，称为零点能量。
至于（实际）气体，则在温度未达到热力学温度零度以前，已变成液体或固体。
二、气体分子的方均根速率
根据气体分子平均平动动能与温度的关系式，我们可求出给定气体在一定温度下，分子运动速率平方的平均值。
如果把这平方的平均值开方，就可得出气体速率的一种平均值，称为气体分子的方均根速率。
§6—4能量均分定理理想气体的内能
一、自由度
决定一个物体的空间位置所需要的独立坐标数，称为物体的自由度。
气体分子按其结构可分为单原子分子（如He，Ne等）、双原子分子（如H，02等）和多原子（三个或三个以上原子组成的分子，如H2O，NH3等），其结构如图所示。
当分子内原子间距离保持不变（不振动）时，这种分子称为刚性分子，否则称为非刚性分子，以下只讨论刚性分子的自由度。
单原子分子可视为质点，因此，在空间一个自由的单原子分子，只有3个平动自由度。
如果这类分子被限制在平面或曲面上运动则自由度降为2；
如果限制在直线或曲线上运动，则自由度降为1
刚性双原子分子可视为两个质点通过一个刚性键联结的模型（哑铃型）来表示，确定其质心在空间的位置要由3个坐标（x，y，z）来表示，故有3个平动自由度另外还要两个方位角β，γ来决定其键联（联结两原子的轴）的方位。
（3个方位角α，β，γ，因有cos2α+cos2β+cos2γ=1，故只有两个是独立的）。
由于两个原子均视为质点，故绕轴的转动不存在，因此刚性双原子分子有3个平动自由度和2个转动自由度，共有5个自由度。
多原子分子除了具有双原子的3个质心平动自由度和2个转动自由度外，还有一个绕轴自转的自由度，常用转角妒相对于所选参考方位）表示，因此刚性多原子分子有3个平动自由度，3个转动自由度，共有6个自由度。
设用i表示刚性分子自由度，t表示平动自由度，r表示转动自由度，则
i=t+r。
在常温下，大多数气体分子属于刚性分子在高温下，气体分子原子间会发生振动，则应视为非刚性分子，此时还需增加振动自由度，这里从略。
二、能量均分定理
前面我们知道在平衡态下，理想气体的分子的平均平动动能
对于三个平动自由度而言，在平衡态下，分子每一个平动自由度具有相同的平均动能，且大小均等于KT/2。
在平衡态下，气体分子作无规则热运动，任何一种运动形式都应是机会均等的，即没有那一种运动形式比其他运动形式占优势。
因此，我们可以把平动动能的统计规律推广到其他运动形式上去，即一般说来，不论平动、转动或振动运动形式，在平衡态下，相应于每一个平动自由度、转动自由度或振动自由度，其平均动能都应等于KT/2言之。
能量按自由度均分定理：
气体处于平衡态时，分子的任何一个自由度的平均动能都相等，均为KT/2。
这就是能量按自由度均分定理。
按照这个定理，如果气体分子有i个自由度，则分子的平均动能为
上式为对大量分子的统计平均结果。
对个别分子而言，它的动能随时间而变，并不等于iKT/2，且它的各种形式的动能也不按自由度均分。
但对大量分子整体而言，由于分子的无规则热运动及频繁的碰撞，能量可以从一个分子转到另一个分子，从一种自由度的能量转化成另一种自由度的能量，这样，在平衡态时，就形成能量按自由度均匀分配的统计规律。
三、理想气体的内能
组成物体的分子或原子除了具有热运动动能外，还应有分子与分子间及分子内原子与原子间相互作用产生的势能；令两部分的和称为分子势能。
通常把物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和，称为物体的内能。
对于理想气体，分子势能可忽略不计，因此，理想气体的内能仅是其所有分子热运动动能的总和。
每一个分子的平均动能为iKT/2，则1mol理想气体的内能为
因此，质量M为的理想气体的内能为
上式表明，一定量的某种理想气体在状态变化过程中，内能的改变只取决初态和终态的温度，而与具体过程无关
§6—5麦克斯韦分子速率分布定律
对某一分子，其任一时刻的速度具有偶然性，但大量分子从整体上会出现一些统计规律1859年，麦克斯韦用概率论证明了在平衡态下，理想气体分子速度分布是有规律的，这个规律叫麦克斯韦速度分布律。
若不考虑分子速度的方向，则叫麦克斯韦速率分布律。
一、气体分子的速率分布分布函数
当气体处于平衡状态时，容器中的大量分子各以不同的速率沿各个方向运动着，有的分子速率较大，有的较小。
由于分子间不断相互碰撞，对个别分子来说，速度大小和方向因碰撞而不断改变，这种改变完全带有偶然性和不可预言性，然而从大量分子的整体来看，在平衡态下，分子的速率却都遵循着一个完全确定的且是必然的统计分布规律研究这个规律。
研究气体分子速率分布情况，与研究一般的分布问题相似，需要把速率分成若干相等的区间。
为了便于比较，特把各速率区间取得相等，从而突出分布的意义，所取区间愈小，有关分布的知识就愈详细，对分布情况的描述也愈精确。
描写速率分布的方法有三种：
（1）根据实验数据列表——分布表；
在0˚C时氧气分子速率的分布情况
速率区间（m·s-1）
分子数的百分率（%）
100以下
100-200
200-300
300-400
400-500
500-600
600-700
700-800
800-900
900以上
1.4
8.1
16.5
21.4
20.6
15.1
9.2
4.8
2.0
0.9
（2）作出曲线——分布曲线；
以速率v为横坐标，以（即单位速率区间分子的比率）为纵坐标，
小长条面积为
该面积大小代表速率在v附近dv区间
（即速率在到之间）
内的分子数占总分子数的比率（百分比）。
速率分布曲线下的总面积等于百分之百，即等于1；这是分布曲线必须满足的归一条件。
（3）找出函数关系——分布函数。
把速率v附近Δv区间内分子数占总分子数的比率的极限
称为分子的速率分布函数。
它表示速率v附近的单位速率区间内分子数占总分子数的百分比（比率），f（v）-v曲线叫做气体分子的速率分布曲线，
如图c，归一化条件
f（v）的物理意义为：
某一分子在速率v附近的单位速率区间内出现的概率，f（v）也称为概率密度。
二、麦克斯韦速率分布规律
理想气体处于平衡态且无外力场作用时，气体分子按速率分布的分布函数f（v）是由麦克斯韦于1860年从理论上导出的
一个分子在v～v+dv区间内的概率为
此式为麦克斯韦速率分布定律。
三、分子速率的三个统计值
分子动理论中，常用到以下三种速率：
l、最概然速率vp
气体分子速率分布曲线有个极大值，与这个极大值对应的速率叫做气体分子的最概然速率，常用vp表示，如图所示。
它的物理意义是：
对所有的相同速率区间而言，速率在含有vp的那个区间内的分子数占总分子数的百分比最大。
按概率表述为，对所有相同的速率区间而言，某一分子的速率取含有vp的那个速率区间内的值的概率最大。
由极值条件可求得满足麦克斯韦速率分布律的平衡态下气体分子的最概然速率。
2、平均速率
根据求平均值的定义有：
对于连续分布，上式有：
将麦氏函数f（v）代入，得理想气体速率从0到∞整个区间算术平均速率
3.方均根速率
根据求平均值的定义有
及
将麦氏分布f（v）代入可得理想气体分子的方均根速率为
最概然速率表征了气体分子按速率分布的特征；
平均速率运用于气体分子的碰撞；
方均根速率用于计算分子的平均平动动能。
四、麦克斯韦分布曲线的性质
1、温度与分子速率当温度升高时，气体分子的速率普遍增大，速率分布曲线中的最概然速率vp量值增大方向迁移，但归一化条件要求曲线下总面积不变，因此，分布曲线宽度增大，高度降低，整个曲线变得较平坦些，如下图。
2、质量与分子速率在相同温度下，对不同种类的气体，分子质量大的，速率分布曲线中的最概然速率vp向量值减小方向迁移，因总面积不变，所以，分布曲线宽度变窄，高度增大，整个曲线比质量小的显得陡些，即曲线随分子质量变大而左移。
如上图。
例设有N个粒子，其速率分布函数为
（1）作出速率分布曲线；
（2）由N和v0求a值；
（3）求vp；
（4）
求N个粒子的平均速率；
（5）
求速率介于之间的粒子数；
（6）
求区间内粒子的平均速率。
解
（1）如图。
（2）由分布函数必须满足归一化条件，即
有
所以
（3）由vp的物理意义知vp=v0
（4）N个粒子的平均速度
（5）内粒子数
（6）
内平均速率
§6—7分子平均碰撞次数和平均自由程
分子两次相邻碰撞之间自由通过的路程叫做分子的自由程
单位时间内一个分子与其他分子碰撞的次数称为分子的碰撞频率由上图可知，分子的自由程有长有短，碰撞频率有大有小，是随机变化的但是大量分子无规则热运动的结果，使分子的自由程与碰撞频率服从一定的统计规律。
我们可采用统计平均方法分别计算出平均自由程和平均碰撞次数.
一、平均碰撞次数z
为了使问题简化，假定每个分子都是有效直径为d的弹性小球，并且假定只有某一个分子A以平均速率运动，其余分子都静止。
在分子A的运动过程中，分子A的球心轨迹是一条折线。
设想以分子A的中心所经过的轨迹为轴，以分子的有效直径d为半径作一圆柱体，如图所示。
显然，凡是球心位于该圆柱体内的分子都将和分子A相碰，σ=πd2。
称为碰撞截面。
球心在圆柱体外的分子就不会与它相碰。
在一秒钟内，分子A平均经过路程为
相应的圆柱体体积为，
设分子数密度为n，
平均而言圆柱体内的分子数为。
这就是分子A在一秒内和其他分子发生碰撞的平均次数
这是假定一个分子运动而其他分子都静止所得的结果。
实际上，一切分子都在运动着，因此，考虑所有分子都在运动，必须对上式加以修正。
麦克斯韦从理论上得出修正后的碰撞频率
二、平均自由程
由于一秒内分子平均走过的路程为
一个分子与其他分子的平均碰撞频率为，
因此，平均自由程为
可知分子的平均自由程是与分子的有效直径的平方和分子数密度成反比
又因为p=nkT，所以上式可改写为
表明，当温度恒定时，平均自由程与气体的压强成反比，压强越小（空气越稀薄），平均自由程越长。
思考题
1、气体在平衡态时有何特征?
气体的平衡态与力学中的平衡态有何不同?
2、气体动理论的研究对象是什么？
理想气体的宏观模型和微观模型各如何？
3、试说明下列各量的物理意义（n为分子数密度，N为系统总分子数）
（1）f（v）dv
（2）nf（v）dv（3）Nf（v）dv
（4）（5）（6）
4、说明下列各量的物理意义
（1）
（2）（3）
（4）（5）（6）
参考书
赵近芳主编大学物理学北京邮电大学出版社2002.8
程守洙，江之永编《普通物理学》高等教育出版社1982修订本
聂东山等主编物理学内蒙古大学出版社1999.8
漆安慎等主编力学基础高等教育出版社1982.
升级会员 