大学物理分子论

1、大学物理电子教案辽宁工程技术大学物理教研室8/16/20221第六章 气体动理论基础热学 分子物理学热 力 学研究物质热现象及热运动规律从物质的微观结构出发，用统计规律建立宏观量与微观量的联系，从而揭示热本质。从物质的宏观状态出发，以能量转换与守恒的方法来研究热运动过程的规律。热力学所研究的物质宏观性质只有经过分子物理学的分析、才能了解其本质。分子物理学的理论，只有经过热力学的研究才能得到验证。分子物理学和 热 力 学相 互 联 系相 互 补 充（宏观理论）（微观理论）8/16/20222表征个别分子特性的物理量称为微观量微观量：如：分子运动的速率、质量、平均能量等这些量不能直接测量宏观量：表

2、征大量分子集体特性的量称为宏观量。如：气体的体积、温度、压强、质量等。统计规律：几个概念：这些量可以直接测量 单一分子的运动状态是瞬息万变的，无规则的。 用力学的方法来描述每个分子的运动是不可能的。大量分子的整体行为却是有规律的，称统计规律性。 8/16/20223物质的微观模型: 1、一切物质由大量微观粒子（分子、原子）组成，分子间有空隙。 2、组成物质的分子间有相互作用力。 f rr0r = r0=10-10 mr r0 3、分子不停地作无规则运动（平 动、转动、振动），剧烈程度与温度有关热运动。既有引力又有斥力平衡距离合力 f = 0引力和斥力相互抵消合力 f 0引力起主要作用r 0斥力

3、起主要作用引力斥力r 10-9 m忽略8/16/202244.1 理想气体的压强、温度与内能一、 理想气体的状态方程热力学温标T：1.状态参量（2）压强 P：气体分子作用在器壁单位面积上的正压力单位：pa （帕斯卡）（N/m2 ）（1）体积 V：气体分子所能达到的空间单位： m3 立方米 （3）温度 T： 摄 氏 温 标t:表示物体冷热程度的物理量（K）温标8/16/202252. 清楚几个概念(1) 热力学系统:在热学中通常把所研究的对象或系统称为热力学系统。把系统以外的物质称为外界。(2) 理想气体:在任何情况下都绝对遵守“三大实验定律”的气体称为理想气体。真实气体在温度不太低，压强不太高

4、时可似为理想气体。玻意耳-马略特定律（等温变化）查理定律（等容变化）盖-吕萨克定律（等压变化）8/16/20226(3) 平衡态:当气体各状态参量( P V T） 不随时间变化时, 称这一状态为平衡态。说明： 平衡态为热动平衡； 平衡时：系统与外界没有任何的能量交换系统内部没有任何其他形式的能量转换（4）准静态过程：准静态过程在 P-V 图上是一条曲线。一个状态另一状态一系列中间状态状态变化过程无限接近平衡态准静态过程（平衡过程）8/16/202273.理想气体的状态方程(1) 气体质量一定时(2) 常用形式(3) 用分子数密度n表示分子数密度玻尔兹曼常数8/16/20228二、 理想气体的压

5、强（3）除碰撞瞬间，分子与分子，分子与容器壁间均无相互作用，且忽略重力影响。1.理想气体的分子模型（1）气体分子可视为质点，每个分子的运动遵从牛顿运动定律。2. 统计假设（平衡态下）容器中任一位置处单位体积内的分子数相同分子速度在各个方向上的分量的各种平均值相等假设依据：在平衡态，气体分子的空间分布到处均匀假设内容：返11（2）每个分子当作弹性小球，分子间碰撞、分子与容器壁间碰撞，遵守能量守恒和动量守恒。8/16/20229分子a与 A1 面碰撞是完全弹性的3.理想气体压强公式的推导A1 面给分子的冲量分子给A1 面的冲量所用时间分子a 1 秒钟内，分子a 与 A1 面碰撞的次数不变速度分量8

6、/16/202210 1 秒钟内，一个分子给A1面的冲量 1 秒钟内,全部分子对 A1 面的总冲量 1 秒钟内，全部分子对 A1 面的平均压力返98/16/202211分子的平均平动动能 （3）在压强公式推导中，我们忽略了分子间的碰撞以及分子间、分子与容器壁间的相互作用。如果考虑这些因素，上述结果仍然成立。（4）对任意形状的容器，上述结果仍然成立。（2）由于n、 都是统计平均值，所以压强具有统计意义。 （5）分子物理学处理问题的方法单个分子的运动服从牛顿力学几点说明：大量分子的运动服从统计规律(1) 压强的实质气体的压强是大量气体分子与器壁碰撞的宏观效果。8/16/202212温度是分子平均平

7、动动能的量度三、理想气体的温度压强公式2.温度公式状态方程1.理想气体分子平均平动动能与温度的关系气体分子的方均根速率与气体的种类和绝对温度有关。3.气体分子的方均根速率温度是分子热运动激烈程度的量度8/16/202213四、 理想气体的内能1.自由度确定一个物体在空间位置所需独立坐标的数目刚性气体分子 的自由度(1) 单原子分子（平动）(2) 双原子分子（平动）（转动）只有平动、转动，没有振动(3) 三原子以上多原子分子（平动）（转动）8/16/2022142.能量按自由度均分原理 在温度为T的平衡态下，气体分子的每一个自由度上都均匀分配 的平均动能。分子的每一个平动自由度对应一份相同的能量

8、（1）原理内容（2）一个分子的平均总动能（3）一个分子的平均总能量8/16/2022153 理想气体的内能气体中所有分子动能的总和（无势能）(1) 一个气体分子 的平均总能量(2) 一摩尔气体内能(3) Mkg 气体的内能 理想气体的内能只是温度的单值 函数，其内能增量与过程无关， 只与始末状态有关。8/16/202216例1：已知单原子分子理想气体求: (1)气体的压强; (2) 气体的总能量; (3) 气体的温度。解：(1) (2) (3) 8/16/202217例3：(1) 内能必相等;（ ）两种理想气体温度相同，则:(2) 分子的平均动能必相等(3) 分子的平均平动动能必相等（ ）（ ）例2：求在多高的温度下，理想气体分子的平均平动动能等于1ev解：8/16/202218一、 理想气体的状态方程(1) 气体质量一定时(2) 常用形式(3) 分子数密度n表示小结二、 理想气体的压强公式三、理想气体的温度公式气体分子的方均根速率8/16/202219四、