气体动理论3资料

气体动理论3资料第1页/共54页核潜艇的动力装置是核反应堆，其原理是通过核反应堆产生的高温蒸汽，驱动蒸气涡轮机，带动螺旋桨或者是发电机产生动力。

第2页/共54页由于蒸汽轮机具有功率大的优点，因此在现代大型军舰上依然有广泛应用。例如大型航母，核潜艇均使用蒸汽轮机作为动力。燃气轮机由于功率不足，目前仅在中型军舰和小、中型航母上运用。对于要求高航速的大型舰船，蒸汽轮机或蒸汽轮机-分散电机-电机动力系统依然是唯一选择。

第3页/共54页航天飞机的热防护：美国哥伦比亚航天飞机失事就是因为热防护瓦脱落所致；2005年8月发现号返回前美国宇航总局专门在太空中对防护瓦进行了检查和修补。a）发射前的航天器（b）回收的神州5号航天器外壳

第4页/共54页电子器件的冷却：随着CPU功率的迅速增加，芯片的冷却要求越来越高，从一般空气冷却的整体肋片散热器，到开缝肋片散热器，到热管以及微细通道的水冷却。从整体翅片到开缝从空气强制对流冷却到热管冷却芯片冷却芯片的热管蒸发段从热管冷却到微细通道的水冷却微细通道冷却器外壳第5页/共54页人体是热力学系统，与外界有能量交换第6页/共54页第7页/共54页

宏观物体都是由大量不停息地运动着的、彼此有相互作用的分子或原子组成.

利用扫描隧道显微镜技术把一个个原子排列成IBM字母的照片.

现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大小以及它们在物体中的排列情况,例如X光分析仪,电子显微镜,扫描隧道显微镜等.

对于由大量分子组成的热力学系统从微观上加以研究时,必须用统计的方法.§8.1平衡态温度理想气体状态方程第8页/共54页一分子的数密度和线度

阿伏伽德罗常数：1mol

物质所含的分子（或原子）的数目均相同.例常温常压下例标准状态下氧分子直径分子间距分子线度分子数密度（

）：单位体积内的分子数目.第9页/共54页二分子力三分子热运动的无序性及统计规律

热运动：大量实验事实表明分子都在作永不停止的无规运动.例:

常温和常压下的氧分子

当时，分子力主要表现为斥力；当时，分子力主要表现为引力.分子力第10页/共54页

对于由大量分子组成的热力学系统从微观上加以研究时，必须用统计的方法..................................................................................

小球在伽尔顿板中的分布规律.第11页/共54页

统计规律当小球数N

足够大时小球的分布具有统计规律.设为第格中的粒子数.

概率粒子在第格中出现的可能性大小.归一化条件

...................................................粒子总数第12页/共54页

1）分子可视为质点；

线度间距;

2）除碰撞瞬间,分子间无相互作用力；一理想气体的微观模型4）分子的运动遵从经典力学的规律.3）弹性质点（碰撞均为完全弹性碰撞）；第13页/共54页二气体状态参量温度反映物体冷热程度的物理量，其高低反映内部分子热运动的剧烈程度。热力学温标(T:K)与摄氏温标(t:℃)：

T=t+273.15体积V

气体分子所能到达的空间。压强P

气体分子垂直作用于器壁单位面积上的力，是大量气体分子与器壁碰撞的宏观表现。标准大气压：目前，T(min.)=2.41011k(激光冷却法)第14页/共54页热力学状态平衡态非平衡态平衡态：在不受外界影响的条件下，系统宏观性质均匀一致、不随时间变化的状态，热动平衡态。气体状态（P,V,T）就是指平衡态。

平衡态1非平衡态平衡态2三平衡态和平衡过程第15页/共54页平衡态的特点1）单一性（处处相等）;2）物态的稳定性——与时间无关；3）自发过程的终点；4）热动平衡（有别于力平衡）.第16页/共54页从非平衡态到新的平衡态所需的时间为弛豫时间。

在热力学过程中每一时刻，如果系统都处于平衡态，这是一种理想过程。或者当系统弛豫比宏观变化快得多时，这个过程中每一状态都可近似看作平衡态，该过程就可认为是平衡过程(准静态过程)。u例1：外界对系统做功，过程无限缓慢，无摩擦。

非平衡态到平衡态的过渡时间，即弛豫时间，约10-3秒，如果实际压缩一次所用时间为1秒，就可以说是平衡过程。第17页/共54页四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PV/T=R摩尔气体常量克拉伯龙方程=1mol第18页/共54页气体活塞砂子12状态图

平衡过程或称准静态过程可用p-V图中的连续曲线表示。第19页/共54页第20页/共54页第21页/共54页第22页/共54页一、压强的微观本质

微观本质密集的雨点持续地倾泻在伞面上，对伞面产生一个持续的压力，由此产生作用于伞面上的压强。容器中数目巨大的气体分子频繁碰撞器壁，会对器壁产生持续的压力，从而产生器壁上的压强．压强：大量分子碰撞器壁单位时间内、作用于器壁单位面积

的平均冲量。大量分子不断碰撞器壁，对器壁单位面积的平均冲力。§8.2理想气体的压强公式与温度公式第23页/共54页

设边长分别为x、y

及z的长方体中有

N

个全同的质量为m

的气体分子，计算壁面所受压强.一理想气体压强公式第24页/共54页2）分子各方向运动概率均等分子运动速度热动平衡的统计规律（平衡态）1）分子按位置的分布是均匀的

大量分子对器壁碰撞的总效果：恒定的、持续的力的作用.单个分子对器壁碰撞特性:偶然性、不连续性.第25页/共54页各方向运动概率均等

方向速度平方的平均值各方向运动概率均等2）分子各方向运动概率均等分子运动速度第26页/共54页分子施于器壁的冲量单个分子单位时间施于器壁的冲量x方向动量变化两次碰撞间隔时间单位时间碰撞次数

单个分子遵循力学规律第27页/共54页

单位时间N

个粒子对器壁总冲量

大量分子总效应

单个分子单位时间施于器壁的冲量器壁所受平均冲力第28页/共54页气体压强统计规律分子平均平动动能器壁所受平均冲力第29页/共54页

统计关系式压强的物理意义宏观可测量量微观量的统计平均值

压强是大量分子对时间、对面积的统计平均结果.分子平均平动动能第30页/共54页玻尔兹曼常数宏观可测量量理想气体压强公式理想气体状态方程微观量的统计平均值分子平均平动动能n——单位体积内气体分子数第31页/共54页温度T

的物理意义3）在同一温度下，各种气体分子平均平动动能均相等。

热运动与宏观运动的区别：温度所反映的是分子的无规则运动，它和物体的整体运动无关，物体的整体运动是其中所有分子的一种有规则运动的表现.1）温度是分子平均平动动能的量度（反映热运动的剧烈程度）.注意2）温度是大量分子的集体表现，个别分子无意义.第32页/共54页一、自由度：1、定义：确定一个物体空间位置所需要的独立坐标的数目。用i表示.◆自由运动刚体的自由度：转轴：2(α，β，γ)绕轴转动：1（θ）◆质点的自由度：空间：3个独立坐标质心：3（x，y，z)：t=3§8.3能量按自由度均分定理与理想气体的内能第33页/共54页2、气体分子运动自由度：单原子分子：②刚性多原子分子：i=3+3=6多原子分子：3个平动自由度，

2个转动自由度。3个平动自由度,i=3①刚性双原子分子：i=t+r=53个平动自由度，3个转动自由度，第34页/共54页二、能量按自由度均分定理:分子的平均平动动能：平动:分子在每个平动自由度上的平均动能相等，都等于kT/2。

气体处于平衡态时，分子任何一个自由度的平均能量都相等，均为kT/2。推广：能量按自由度均分原理：第35页/共54页2）室温下只有平动和转动，高温下才有振动。一般不说明，都按刚性分子处理，即无振动。3）该原理也适用于液体和固体。三、理想气体内能E

：1、一般热力学系统内能：系统内部各种能量的总和。2、理想气体内能：

（若无化学反应、无核反应，）系统内能指所有分子的各种形式的动能、振动势能和分子间势能的总和。

理想气体（刚性分子）的内能，是系统内全部分子的平动动能和转动动能之和。1）能量按自由度均分定理是关于分子热运动动能的统计规律，对单个分子无意义。说明第36页/共54页每个分子的平均动能1mol理想气体的内能νmol理想气体的内能1mol理想气体的内能i=6i=5i=3自由度刚性多原子刚性双原子单原子第37页/共54页当温度发生微小变化dT时，内能的变化为：当温度由T变到T+△T，则2)T是状态量，与过程无关，因而内能也是状态量与过程无关。一个过程中理想气体内能的变化仅与初末态温度变化有关，与过程无关。（对一定的理想气体）1)一定的理想气体，内能只是温度的单值函数,E∝T。νmol理想气体的内能说明第38页/共54页

例题1

1mol氦气与2mol氧气在室温下混合，试求当温度由27ºC升为30ºC时，该系统的内能增量。解由内能公式对氦气i=3,对氧气i=5则内能为：内能的增量为：第39页/共54页实验装置一测定气体分子速率分布的实验金属蒸汽显示屏狭缝接抽气泵§8.5麦克斯韦分子速率分布定律第40页/共54页分子速率分布图：分子总数

为速率在区间的分子数.表示速率在区间的分子数占总数的百分比.第41页/共54页分布函数

表示速率在区间的分子数占总分子数的百分比.

归一化条件

表示在温度为的平衡状态下，速率在

附近单位速率区间的分子数占总数的百分比.物理意义第42页/共54页速率位于内分子数速率位于区间的分子数速率位于区间的分子数占总数的百分比第43页/共54页麦氏分布函数二麦克斯韦气体速率分布定律

反映理想气体在热动平衡条件下，各速率区间分子数占总分子数的百分比的规律.第44页/共54页三三种统计速率1）最概然速率根据分布函数求得

气体在一定温度下分布在最概然速率附近单位速率间隔内的相对分子数最多.物理意义第45页/共54页2）平均速率第46页/共54页3）方均根速率第47页/共54页

同一温度下不同气体的速率分布N2分子在不同温度下的速率分布第48页/共54页讨论

麦克斯韦速率分布中最概然速率的概念下面哪种表述正确？（A）是气体分子中大部分分子所具有的速率.（B）是速率最大的速度值.（C）