高二物理竞赛热学课件

热学热学研究内容——研究热力学系统中的热现象的规律及其物理本质、实践应用。常见的一些现象：4、物体被加热，物体的温度升高。热现象1、一壶水开了，水变成了水蒸气。2、机动车汽缸中燃料燃烧。3、气体被压缩，产生压强。

热力学系统由大量粒子组成的宏观物体或物体系。热学热力学分子动理论从现象中找规律透过现象追本质宏观规律微观机制观察记录分析总结建模统计理论验证宏观微观内容分支A.热学的宏观理论(热力学)——第六章B.热学的微观理论(分子动理论)——第五章由观察实验总结归纳出有关热现象的规律1）单个分子的运动满足力学规律2）大量分子的集体行为满足统计规律3）系统的宏观性质是大量微观粒子运动的统计平均的结果。从微观角度研究宏观问题的物理思想：第五章

气体分子动理论气体分子动理论是从物质的微观分子热运动出发，去研究气体热现象的理论。微观量：分子的质量、速度、动量、能量等。宏观量：

温度、压强、体积等。在宏观上不能直接进行测量和观察。在宏观上能够直接进行测量和观察。一、气体状态参量表征气体有关特性的物理量1.体积V气体分子所能达到的空间2.压强p气体垂直作用于器壁表面单位面积上的力＝容器容积单位：1atm=760mmHg=1.013×105Pa3.温度T

描述物体冷热程度的物理量热力学温标T

：开尔文（K）t=T–273.15摄氏温标t：摄氏度（℃）4.质量（M）和摩尔质量（

Mmol

）§5-1热运动的描述理想气体模型和状态方程二、平衡态不受外界影响时，系统的宏观性质不随时间变化的状态。（3）可用确定的状态参量来描述。注意（1）无外界影响是指没有热量的传递及外界对系统作功。（2）是一种热动平衡状态。（4）是一个理想的状态。沸水冰水气体真空平衡态系统从某状态开始经历一系列的中间状态到达另一状态的过程。热力学过程1221准静态过程三、准静态过程在过程进行的每一时刻，系统都无限地接近平衡态。非准静态过程系统经历一系列非平衡态的过程实际过程是非准静态过程，但只要过程进行的时间远大于系统的驰豫时间，均可看作准静态过程。如：实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程S说明

(1)准静态过程是一个理想过程；(2)除一些进行得极快的过程（如爆炸过程）外，大多数情况下都可以把实际过程看成是准静态过程；四、理想气体状态方程1.理想气体(1)理想气体的宏观定义在任何情况下都遵守玻-马定律、盖-吕定律、查理定律三大气体定律的气体.(2)理想气体的微观模型1、分子线度与分子间距相比较可忽略，分子被看作质点。2、除了分子碰撞的瞬间外，忽略分子间的相互作用。3、气体分子在运动中遵守经典力学规律。4、分子与分子间，分子与器壁的碰撞均为弹性碰撞。实际气体在压强不太大、温度不太低时更接近理想气体。2.理想气体状态方程玻—马定律PV=constant盖—吕萨克定律V/T=constant查理定律P/T=constantT不变P不变V不变克拉伯龙方程3.理想气体状态图:经历准静态过程（质量不变）pVo等p过程等T

过程等V过程p–

V图、p–

T图、V–

T图图上一点对应一个平衡态；图上的一条曲线对应一个准静态过程。例5-1某种柴油机的汽缸容积为0.82710-3m3。设压缩前其中空气的温度47ºC，压强为8.5104Pa。当活塞急剧上升时可把空气压缩到原体积的1/17，使压强增加到4.2106Pa，求这时空气的温度。如把柴油喷入汽缸，将会发生怎样的情况？（假设空气可看作理想气体。）只需考虑空气的初状态和末状态，有T1=273+47=320（K）这一温度已超过柴油的燃点，所以柴油喷入汽缸时就会立即燃烧，发生爆炸推动活塞做功。解：例5-2容器内装有氧气，质量为0.10kg，压强为10105Pa

，温度为47ºC。因为容器漏气，经过若干时间后，压强降到原来的5/8，温度降到27ºC。问(1)容器的容积有多大？(2)漏去了多少氧气？解：(1)（2）若漏气若干时间之后，压强减小到p，温度降到T。如果用M表示容器中剩余的氧气的质量，由状态方程得漏去氧气的质量为一、分子热运动的图像§5-2分子热运动和统计规律物体的分子在永不停息地作无序热运动例如：1cm3的空气中包含有2.7×1019个分子布朗运动分子热运动宏观物体由大量粒子（分子、原子等）组成分子热运动的图像：1.标准状态下，气体分子之间的距离大约是分子本身线度（10-10m）的10倍左右，可把气体看作是彼此相距很大间隔的分子集合。2.分子与分子间的相互作用力，除了在碰撞的瞬间以外，极为微小。3.分子热运动的平均速度约分子的平均碰撞频率约分子的平均自由程约

二、分子热运动的基本特征分子热运动的基本特征：分子的永恒运动与频繁的相互碰撞。分子热运动与机械运动有本质的区别。1.分子热运动的无序性2.分子热运动的统计性微观量：分子的速度、动量、能量等。宏观量：

温度、压强、体积等。统计方法：在气体动理论中，必须运用统计方法，求出大量分子的某些微观量的统计平均值，用以解释在实验中直接观测到的物体的宏观性质。三、分布函数和平均值偶然事件：不可预测而又大量出现的事件。多次观察同样的事件，可获得该偶然事件的分布规律。例如：伽耳顿板实验投入一个小球，一次实验中，小球落入哪个狭槽是偶然的。投入大量的小球，落入各个狭槽的小球数目遵守一定的统计规律。则小球的总数为为了描述统计规律，引入分布函数：

设第i个狭槽的宽度为xi

，其中积累的小球高度为hi

，则此狭槽内的小球数目Nihixi

。令Ni

=Chi

xi第

i个狭槽内小球数目占总球数的百分比为可作为每个小球落入第i个狭槽内的概率。令则f(x)表示小球落在x附近单位区间内的概率，或小球落在x处的概率密度，称为小球沿x

的分布函数。减小狭槽的宽度，使，小球落在xx+dx内的概率（或在xx+dx内的小球数目占总球数的百分比）为显然，由分布函数还可计算任一物理量（如x）的统计平均值。（归一化条件）如平均位置：§5-3理想气体的压强和温度公式一、理想气体的微观模型1、分子线度与分子间距相比较可忽略，分子被看作质点。2、除了分子碰撞的瞬间外，忽略分子间的相互作用。3、气体分子在运动中遵守经典力学规律。4、分子与分子间，分子与器壁的碰撞均为弹性碰撞。二、统计假设1、平衡态气体分子数密度n

分布均匀。2、分子沿各个方向运动的物理量（速率等）几率均等。沿空间各个方向运动的分子数目相等和分子各占一半3、分子速度在各个方向上的分量值均相等注意：统计假设只适用于大量分子的集体x推导：dA体积：V，分子数：N，分子质量：m把分子分成若干的组，每一组的分子具有大小和方向都相同的速度。假设每组的分子数密度为ni

，速率为vi。一个分子一次碰撞后动量的增量：一个分子一次碰撞对器壁的冲量：第i组：dA第i组分子dt时间内与dA面碰撞分子数：dt时间内作用于dA冲量：dt时间内作用于dA总冲量：注意:（求和仅限于vix>0的范围，因为只有vix>0的分子才能和器壁相碰）x对于所有组dA压力：总冲量：按照统计假设vix>0和vix<0各占一半压强：根据统计假设：压强：说明1、上式表明了宏观量P与微观量的平均值之间的联系2、在推导过程中对单个分子使用力学规律处理，对大量分子采用了统计平均的方法，n、都是统计平均值。所以，P也是统计平均量，而非简单的力学量。3、压强大小与容器形状无关理想气体状态方程：则：玻耳兹曼常数五、温度公式说明1、气体分子的平均平动能只与温度有关，并与热力学温度成正比。3、从微观上阐明了温度的本质，即温度标志着物体内部分子无规则运动的剧烈程度2、温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义，对单个分子，所它由温度是没有意义的。方均根速率：六、方均根速率表0℃时，几种气体分子的方均根速率气体Mmol（×10－3kg．mol-1）

(m．s-1)氢2.021838氦4.01311水蒸气18615一氧化碳28493氧32461二氧化碳44393例5-3

两瓶不同种类的气体，其分子平均平动动能相等，但分子数密度不同。问：它们的温度是否相同？压强是否相同？解：例5-4试求氮气分子的平均平动动能和均方根速率。设（1）在温度t=100