大学物理华科版-第9章PPT演示课件

1、大学物理大学物理主讲教师：张庆斌主讲教师：张庆斌大学物理课程内容：大学物理课程内容：第五篇第五篇 波动光学波动光学第四篇第四篇 振动与波动振动与波动第六篇第六篇 量子物理量子物理（第（第11章章 ）（第（第12章章-第第13章）章）（第（第14章章-第第17章）章）第一篇第一篇 力学力学第三篇第三篇 热学热学第二篇第二篇 电磁学电磁学（第（第1章章 - 第第5章）章）（第（第9章章 - 第第10章）章）（第（第6章章 - 第第8章）章）上册上册下册下册答疑时间、地点：答疑时间、地点：单周一、双周二单周一、双周二交接作业时间：交接作业时间： 每周二每周二单周三、双周四单周三、双周四 晚晚7:30

2、 - 9:30东九楼东九楼a210西五楼西五楼116作业缺交作业缺交 及及以上以上的的综合成绩综合成绩记为记为0 0分分！13学校规定：学校规定：认真独立完成作业！认真独立完成作业！ 第三篇 我国古代，燧人氏我国古代，燧人氏钻木取火钻木取火以化腥臊，以化腥臊，奉为千古圣皇；奉为千古圣皇；热热 学学 在古代，在古代，“火火”与与“热热”几乎是同义词，几乎是同义词，热学则起源于人类对于热和冷现象本质的追求。热学则起源于人类对于热和冷现象本质的追求。 古希腊，普罗米修斯古希腊，普罗米修斯盗天火盗天火开罪于主神开罪于主神而泽慧天下，奉为世间英雄。而泽慧天下，奉为世间英雄。 “热是人类最早发现的一种自然

3、力，热是人类最早发现的一种自然力，是地球一切生命的源泉。是地球一切生命的源泉。” 恩格斯恩格斯什么是热？什么是热？“五行说五行说”我国殷朝我国殷朝“物质元素论物质元素论”古希腊古希腊金、木、水、金、木、水、火火、土、土独立的物质元素独立的物质元素这两种见解都只是直觉的猜测这两种见解都只是直觉的猜测! !u 元素说元素说u 运动说运动说我国古代我国古代“元气论元气论”物质微粒在虚空中运动物质微粒在虚空中运动古希腊古希腊“原子论原子论”物质元气聚散变化的表现物质元气聚散变化的表现什么是热？什么是热？u 热是粒子的特殊运动热是粒子的特殊运动vs.u 热是看不见的流质热是看不见的流质牛顿牛顿胡克胡克拉

4、瓦锡拉瓦锡布拉克布拉克摩擦生热摩擦生热 热传导、冰融化热传导、冰融化 水沸腾水沸腾伦福德爵士伦福德爵士钝的镗孔工具钝的镗孔工具浸入水中的炮管浸入水中的炮管摩擦两个半小时摩擦两个半小时22年时间年时间40400岁开始岁开始次实验次实验争议的终结者争议的终结者 焦耳焦耳热功当量：热功当量： 1 1卡卡= =4.18 4.18 焦焦热学热学是研究物体热运动的性质和规律的学科是研究物体热运动的性质和规律的学科研究方法：研究方法：宏观：宏观：实验的方法实验的方法微观：微观：统计的方法统计的方法热力学（第热力学（第10章）章）气体动理论（第气体动理论（第9章）章）研究内容：研究内容： 大量分子大量分子(原

5、子原子)的无规则运动称为的无规则运动称为热运动热运动热现象：热现象：是物体中大量分子是物体中大量分子(原子原子)无规则运动的集体表现无规则运动的集体表现热热 学学从物质分子结构和分子运动出发，研究集体效应从物质分子结构和分子运动出发，研究集体效应以实验为基础，归纳和推理找出功能转换的条件以实验为基础，归纳和推理找出功能转换的条件重点研究理想气体的热运动重点研究理想气体的热运动研究对象：研究对象：宏观物体宏观物体 第三篇第第9章章气体动理论气体动理论第第9章章 气体动理论气体动理论（统计物理）（统计物理）kinetictheoryofgasses第第1节节 热力学系统和平衡态热力学系统和平衡态

6、第第2节节 理想气体状态方程与微观模型理想气体状态方程与微观模型 第第5节节 气体分子的速度和能量分布气体分子的速度和能量分布第第3节节 理想气体的压强和温度理想气体的压强和温度 第第4节节 能均分定理能均分定理 理想气体的内能理想气体的内能 第第7节节 分子的平均碰撞次数分子的平均碰撞次数 平均自由程平均自由程 第第8节节 偏离平衡态偏离平衡态 第第6节节 范德瓦尔斯方程范德瓦尔斯方程二、对理想气体的基本描述二、对理想气体的基本描述三、能量均分定理三、能量均分定理 理想气体的内能理想气体的内能四、麦克斯韦分子按速率分布定律四、麦克斯韦分子按速率分布定律五、对真实气体的几点简介五、对真实气体的

7、几点简介1. 热力学系统热力学系统2. 热力学平衡态热力学平衡态3. 状态参量和状态图状态参量和状态图4. 热力学过程热力学过程5. 温度和热力学第零定律温度和热力学第零定律第第9章章 气体动理论气体动理论 能够与所研究的热力学系统发生相互作用能够与所研究的热力学系统发生相互作用的其它物体的其它物体 在给定范围内，由大量微观粒子所组成的在给定范围内，由大量微观粒子所组成的宏观客体（宏观客体（气、液、固、气、液、固、）一、热学系统与平衡态一、热学系统与平衡态简称简称系统系统系统的外界（简称系统的外界（简称外界外界）孤立系统孤立系统封闭系统封闭系统开放系统开放系统绝热系统绝热系统em em q 孤

8、立系统与绝热系统的关系：孤立系统与绝热系统的关系：绝热系统绝热系统 与外界仅与外界仅无热量交换无热量交换 “鸡犬之声相闻，民至老死不相往来鸡犬之声相闻，民至老死不相往来” 热学系统的划分完全是热学系统的划分完全是“人为人为”的，对于不同的，对于不同的问题，甚至对于同一问题可取不同的系统。的问题，甚至对于同一问题可取不同的系统。孤立系统孤立系统与外界与外界孤立系孤立系绝热系绝热系b部落部落a部落部落2. 热力学平衡态热力学平衡态 一个系统在不受外界影响的条件下，若一个系统在不受外界影响的条件下，若它的宏观性质不再随时间变化，则此系统处它的宏观性质不再随时间变化，则此系统处于于热力学平衡态热力学平

9、衡态。系统的一种特殊情况系统的一种特殊情况例：理想气体绝热自由膨胀例：理想气体绝热自由膨胀真空真空平衡态平衡态非平衡态非平衡态 一定质量的气体，与外界无能量交换，内部无一定质量的气体，与外界无能量交换，内部无化学反应、核反应，仅由于分子热运动使气体内化学反应、核反应，仅由于分子热运动使气体内各部分达到各部分达到: 密度密度 、温度、温度 t、压强、压强 p 均匀的状态均匀的状态平衡态平衡态同时考虑同时考虑注：注：1 一个孤立系统的状态一个孤立系统的状态2 平衡态实质上只是一种平衡态实质上只是一种热动平衡热动平衡理想状态理想状态3 本篇主要涉及对系统平衡态的讨论本篇主要涉及对系统平衡态的讨论总是

10、处于平衡态总是处于平衡态真空真空非平衡态非平衡态微观量：微观量：表征单个分子性质与状态（如：表征单个分子性质与状态（如：m, r, v）宏观量：宏观量：反映整个系统宏观性质和状态（如反映整个系统宏观性质和状态（如：p, t, v）广延量广延量: 总系统各个子系统之和总系统各个子系统之和 （如：如：v，n n）强度量强度量: 总系统各个子系统（总系统各个子系统（ 如：如：t，p）3. 状态参量、状态图状态参量、状态图（1）状态参量状态参量平衡态的描述平衡态的描述几何参量（如：几何参量（如：v）力学参量（如：力学参量（如：p）化学参量（如：化学参量（如：n n 、m）电磁场参量（如：电磁场参量（如

11、：e、b）热学参量（如：热学参量（如：t）状态参量空间：状态参量空间：以独立的状态参量为坐标构成的一个空间以独立的状态参量为坐标构成的一个空间iiivp1p1vi2p2vii（2）状态图）状态图过程曲线过程曲线 若系统在变化过程中经历的每一状态都是平若系统在变化过程中经历的每一状态都是平衡态，衡态， 可将其经历的所有平衡态在状态空间上表示可将其经历的所有平衡态在状态空间上表示此过程此过程平衡态过程平衡态过程 注：注：非平衡态、非平衡过程不能用状态图描述非平衡态、非平衡过程不能用状态图描述平衡态平衡态平衡态平衡态 过程过程11v,p22v,p非平衡态非平衡态p,v不确定不确定分子相空间分子相空间

12、: 六维空间中一点六维空间中一点（x,y,z,vx,vy,vz）同一个分子的同一个分子的运动状态对应，该点称为分子的代表点，这一六维空间运动状态对应，该点称为分子的代表点，这一六维空间称为称为分子的相空间。分子的相空间。xv分子体系某一瞬时状态分子体系某一瞬时状态体系所有分子在相空间的体系所有分子在相空间的一个确定分布（该时刻）一个确定分布（该时刻）相空间横坐标相空间横坐标：位置位置 纵坐标纵坐标：速度速度( (或动量或动量) )相空间空间坐标相空间空间坐标:x, y, z, 空间空间坐标微元坐标微元: dxdydz相空间速度坐标相空间速度坐标:vx, vy, vz，空间空间速度微元速度微元:

13、 dvxdvydvz坐标与速度空间体积元坐标与速度空间体积元dd d dvx y zzxyddddxyz vvvvvzvxvy坐标空间体积元坐标空间体积元速度空间体积元速度空间体积元分子相空间体积元：分子相空间体积元：d d d ddddd33xyzx y zr vvvv4.热力学过程热力学过程系统从系统从系统经历了一个热力学过程系统经历了一个热力学过程过程过程 另一个状态另一个状态 当系统在变化过程中经历的每一状态都是当系统在变化过程中经历的每一状态都是平衡态，此过程平衡态，此过程平衡过程平衡过程显然：显然： 实际的热力学过程中任一状态都不是平衡态实际的热力学过程中任一状态都不是平衡态例如例

14、如:一实际汽缸的气体作为系一实际汽缸的气体作为系 统，当活塞运动中气体被统，当活塞运动中气体被 压缩，使系统在整个压缩压缩，使系统在整个压缩 过程中经历了一系列状态。过程中经历了一系列状态。f非平衡过程非平衡过程快快速速压压缩缩设想设想趋近平衡态过程趋近平衡态过程实际的热力学过程中任一状态都不是平衡态实际的热力学过程中任一状态都不是平衡态f非平衡过程非平衡过程快速压缩快速压缩 一个过程其任意时刻的中间态都无限接近一个过程其任意时刻的中间态都无限接近于一个平衡态，则此过程为于一个平衡态，则此过程为准静态过程准静态过程. .无限缓慢无限缓慢 对准静态过程中间状态的平衡态及系统对准静态过程中间状态的

15、平衡态及系统的准静态变化过程均的准静态变化过程均可用状态图表示可用状态图表示vp5. 温度温度（1）什么是温度？）什么是温度？ab若隔板为若隔板为“导热板导热板”一个系统状态的变化会引起一个系统状态的变化会引起另一系统状态的变化另一系统状态的变化 复合系统复合系统当复合系统达到平衡时当复合系统达到平衡时两系统处于两系统处于热平衡热平衡两系统有共同的宏观性质两系统有共同的宏观性质 将两个分别处于平衡态的系统将两个分别处于平衡态的系统a和和b用一刚性隔板分隔开用一刚性隔板分隔开热平衡热平衡a和和b两系统的状态可两系统的状态可独立地变化互不影响独立地变化互不影响ab若隔板为若隔板为“绝热板绝热板”温

16、度温度热接触热接触2 温度是热学中特有的物理量温度是热学中特有的物理量, ,它决定一系统它决定一系统 是否与其它系统处于热平衡。是否与其它系统处于热平衡。 说明：说明：1 温度的概念与人们日常对温度的理解温度的概念与人们日常对温度的理解 （温度温度冷热程度冷热程度）是一致的。）是一致的。（2）热力学第零定律热力学第零定律（温度的数字表示法）（温度的数字表示法） 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，则这两个系统彼此也将处于热平衡则这两个系统彼此也将处于热平衡。常用的两种温标常用的两种温标摄氏温标：摄氏温标：水的三相点水的三相点 t = 0c热力学温标：

17、热力学温标： 与任何物质的性质无关与任何物质的性质无关273.15ktt si单位制单位制温标温标1. 理想气体的微观模型理想气体的微观模型（1）分子本身大小忽略不计）分子本身大小忽略不计（2）分子间相互作用忽略不计）分子间相互作用忽略不计（3）分子间、分子与器壁间的碰撞是弹性碰撞）分子间、分子与器壁间的碰撞是弹性碰撞理想气体是大量不停的、无规则运动着的、无理想气体是大量不停的、无规则运动着的、无引力引力 第（第（2 2）条）条 的弹性的弹性 第（第（3 3）条）条 质点质点 第第（1 1）条）条 的集合。的集合。理想模型理想模型二、对理想气体的基本描述二、对理想气体的基本描述组成理想气体的质

18、点的运动遵循经典力学规律。组成理想气体的质点的运动遵循经典力学规律。2. 理想气体的状态方程理想气体的状态方程 根据实验及波意耳定律，当气体系统的质根据实验及波意耳定律，当气体系统的质量量m一定时一定时若系统从若系统从（p1 v1 t1）（p2 v2 t2）有有1 12212pvpvtt常常量量000pvpvtt气体的标准状态为（气体的标准状态为（p0 v0 t0）则）则000vptn n摩尔摩尔体积体积000v8.31j molprktv0=22.41 10-3 m3/mol气体普适常数气体普适常数pvrtn n mmn n 摩尔数摩尔数mpvrtm 理想气体状态方程理想气体状态方程方程的另

19、一表示方程的另一表示:1mol 任何气体的分子数目任何气体的分子数目na=6.0231023 /mol设设v 中有中有n个气体分子，则个气体分子，则annn n anpvrtn n分子密度分子密度231.38 10j/karkn 波耳兹曼常数波耳兹曼常数pv = nkt或或 p = nktpvrtn n mpvrtm 8.31 j molrk沟通微观领域与宏观领域的桥梁沟通微观领域与宏观领域的桥梁上节课的主要内容上节课的主要内容二、对理想气体的基本描述二、对理想气体的基本描述一、几个基本概念一、几个基本概念理想气体的状态方程理想气体的状态方程pvrtn n mpvrtm pv = nktp =

20、 nkt孤立系统孤立系统、平衡态、平衡过程平衡态、平衡过程、准静态过程准静态过程、状态参量、状态图状态参量、状态图、温度温度另一表示另一表示231.38 10j/karkn 8.31 j mol kr 例例1 . 一个人呼吸时，若每吐出一口气都在若干时间内（比如一个人呼吸时，若每吐出一口气都在若干时间内（比如 几年）均匀的混合到全部大气中，另一个人每吸入的一几年）均匀的混合到全部大气中，另一个人每吸入的一 口气中有多少个分子是从那个人的那口气中吐出的？口气中有多少个分子是从那个人的那口气中吐出的？23226.022 1022.42.69 10n 解：解：1atm1.013105n/m2 大气总

21、质量大气总质量 m1atm s地地/g51018 kg大气摩尔质量大气摩尔质量 m2910-3 kg/mol大气总体积：大气总体积：vm/m22.4 l/mol3.861021 ln个气体分子均匀混合到体积个气体分子均匀混合到体积v 中，每中，每l里含有分子数为里含有分子数为22212.69 1073.86 10nv 标态下人呼吸一口气的体积约标态下人呼吸一口气的体积约1l，分子数为：，分子数为：“呼吸相通呼吸相通”、“息息相关息息相关”对待大气污染问题，对待大气污染问题，我们患难与共！我们患难与共！压在压在1m2地面上气柱的重量地面上气柱的重量（1）统计规律）统计规律单个事件看不出什么规律，

22、大量事件将出现单个事件看不出什么规律，大量事件将出现规律，规律， 这种规律叫这种规律叫统计规律统计规律例例2. 有大量的三色小球（各色小球数量相同）有大量的三色小球（各色小球数量相同） 将小球一个一个从袋中拿出来，每次拿出什么将小球一个一个从袋中拿出来，每次拿出什么颜色的球是不可预测的。颜色的球是不可预测的。（单个事件无规律可言单个事件无规律可言） 拿的次数多了拿的次数多了, 就有规律了。例：拿了三万次就有规律了。例：拿了三万次 10006个，个， 9991个，个， 10003个个统计一下结果：统计一下结果： 大量事件遵循的规律叫大量事件遵循的规律叫统计规律统计规律上述方法，叫上述方法，叫统计

23、方法统计方法。3. 理想气体的压强理想气体的压强一个统计概念一个统计概念, 某个事件出现的可能性的量度某个事件出现的可能性的量度（2）概率概率例例2中三种颜色的球拿出来的概率是一样的中三种颜色的球拿出来的概率是一样的等概率原理等概率原理红色小球出现的概率红色小球出现的概率1000630000p 13 用数学式归纳为用数学式归纳为()limiinpnn 三色球出现的总概率三色球出现的总概率: p13 13 131 iipp1一定！一定！这叫这叫概率的归一化条件概率的归一化条件 10006个，个， 9991个，个， 10003个个红红次数越多次数越多所得结果所得结果越准确越准确黄色小球出现的概率黄

24、色小球出现的概率999130000p 13 黄黄兰色小球出现的概率兰色小球出现的概率1000330000p 13 兰兰例例3. 在标准状态下在标准状态下, 1cm3气体分子个数的数量级是气体分子个数的数量级是 n=1019 个个, 问问: 在各个方向上在各个方向上 n个分子速率的个分子速率的 平均值有什么关系？平均值有什么关系？i vx v121niyyynyiynnvvvvv121nizzznziznnvvvvv12xxnxn vvv1nixinvzyxvvv 按统计理论各方向上分子速率的统计平均值相等按统计理论各方向上分子速率的统计平均值相等显然显然2xv 我们可以对容器中处于热动平衡下的

25、大量气体我们可以对容器中处于热动平衡下的大量气体分子作如下统计假设：分子作如下统计假设：1 容器中任一位置处单位体积的分子数不比容器中任一位置处单位体积的分子数不比 其它位置占优势其它位置占优势2 分子沿任何方向运动分子沿任何方向运动(个数、速率个数、速率)不比其不比其 它方向占优势它方向占优势zyxvvv 121nixxxnxixnn vvvvv2yv2zv （3） 理想气体的压强理想气体的压强压强的产生压强的产生单个分子碰撞器壁的作用力是不连续的、偶然的、不均匀的单个分子碰撞器壁的作用力是不连续的、偶然的、不均匀的而大量分子作用力的总效果上看，是一个持续的平均作用力而大量分子作用力的总效果

26、上看，是一个持续的平均作用力这个压力是多少？这个压力是多少？（3） 理想气体的压强理想气体的压强设长方体设长方体 v 中有中有n个理想气体分子个理想气体分子 将所有分子分成若干组将所有分子分成若干组, 每组内分子的速度每组内分子的速度大小方向都相同大小方向都相同第第 i 组的分子密度组的分子密度: nin第第 i 组的分子速度：组的分子速度：=vix 每个分子速度的大小每个分子速度的大小, 方向各方向各不相同；热平衡下分子与不相同；热平衡下分子与6个壁都个壁都要碰撞，各个面所受的压强相等要碰撞，各个面所受的压强相等iin总分子密度：总分子密度：viyviz单位体积有单位体积有 n = n/v 个分子个分子每个分子质量为每个分子质量为 mi v垂直垂直x轴处任取面积元轴处任取面积元da, 计算计算da上的压强：上的压强：光光滑滑器器壁壁 1 速度为速度为vi的单个分子在一次碰撞中对器壁的作用的单个分子在一次碰撞中对器壁的作用碰撞前碰撞前 vi （vix viy viz）碰撞后碰撞后 vi（