热学是研究与热现象有关的规律的科学

1、热学是研究与热现象有关的规律的科学。 热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现。 大量分子的无规则运动称为热运动。,常见的一些现象：,1、一壶水开了，水变成了水蒸气。,2、温度降到0以下，液体的水变成了固体的冰块。,3、气体被压缩，产生压强。,4、物体被加热，物体的温度升高。,热现象,热物理学,宏观法与微观法相辅相成。,热学的研究方法：,1.宏观法. 最基本的实验规律逻辑推理(运用数学) -称为热力学。 优点：可靠、普遍。 缺点：未揭示微观本质。,2.微观法. 物质的微观结构 + 统计方法 -称为统计力学 其初级理论称为气体分子运动论(气体动理论) 优点：揭示了热现象的微观本质。 缺点：可靠

2、性、普遍性差。,第三章 气体动理论,热力学研究的对象-热力学系统.,一.热力学系统,热力学系统以外的物体称为外界。,孤立系统:系统和外界完全隔绝的系统,例：若汽缸内气体为系统，其它为外界,1 分子运动的基本概念,二.系统状态的描述,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。,宏观量与微观量的关系：,宏观量与微观量的内在联系表现在大量分子杂乱无章 的热运动遵从一定的统计规律性上。在实验中，所测 量到的宏观量只是大量分子热运动的统计平均值。,三.基本原理:,1.自然界中一切物体都是由大量不连续的、彼此

3、间有 一定距离的微粒所组成,这种微粒称为分子.,2.分子间有相互作用力.,3.分子永不停息地作无规则的运动.,2 气体的状态参量 平衡态,一、体积V,气体分子所能达到的空间范围. 单位: m3,二、压强P,气体作用于容器壁单位面积的垂直作用力.,单位:Pa 1Pa=1N/ m2,1.1mmHg=133.3Pa,2.标准大气压(atm),三、温度 t , T,反映系统内部大量分子作无规则剧烈运动程度,1.摄氏温标( t ),单位:,2.热力学温标( T ),单位:K,两者换算关系: T=273.15+t,状态参量：表征气体有关特性的物理量 如P、V、T等,四.平衡状态,在不受外界影响（即系统与外

4、界没有物质和能量的交换）的条件下，无论初始状态如何，系统的宏观性质在经充分长时间后不再发生变化的状态。,平衡态：,准静态过程：如果状态变化过程进行得非常缓慢，以至过程中的每一个中间状态都近似于平衡态，这样的过程称为“准静态过程 ”，又称“平衡过程 ”。,（质量不变）,3 理想气体物态方程,3.1 气体的实验规律,一.气体定律,二.阿伏伽德罗定律,在相同的温度和压强下,1摩尔的任何气体所占据的体积 都相同.在标准状态下,即压强P0=1atm、温度T0=273.15K 时, 1摩尔的任何气体的体积均为 v0=22.41L/mol,3.2 理想气体,理想气体：在任何情况下都严格遵守“波-马定律”、“

5、盖-吕定律”以及“查理定律”的气体。,3.3 理想气体物态方程,（质量不变）,标准状态：,M 为气体的总质量。 M mol为气体的摩尔质量。,其中：,理想气体物态方程：,令：,R 称为“普适气体常数 ”,代入：,阿伏伽德罗常数：,玻耳兹曼常数：,设：分子质量为 m，气体分子数为N，分子数密度 n。,理想气体物态方程：,标准状态下的分子数密度：,洛喜密脱数：,例3.1;3.2(p107-108),4.1 压强的成因,分子数密度 31019 个分子/cm3 = 3千亿个亿；,分子之间有一定的间隙，有一定的作用力；,4 气体动理论压强公式,压强:气体作用于容器壁单位面积上的垂直作用力,4.2 理想气

6、体的微观模型：,1.分子线度与分子间距相比较可忽略，分子看作质点。,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，假设碰撞为 弹性碰撞;,4.除需特别考虑外,不计分子所受到的重力。,4.3 理想气体压强公式及其意义,结论：,温度标志着物体内部分子热运动的剧烈程度，它是大量分子热运动的平均平动动能 的统计平均值的量度。,5 气体动理论温度公式,方均根速率：,方均根速率：,例1. 体积为10 l 的瓶内贮有氢气.在温度为280K时气压计读数为 5.07106Pa.过了些时候,温度增为290K,但因开关漏气,气压 计读数仍没有变化.问漏去了多少氢气?,解:,

7、设瓶内原有的氢气质量为m1,后来变为m2.,例题2.两瓶不同种类的气体，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：,例题3：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 = 1000时；（2）t = 0时；（3）t = -150 时。,解：,6.1 运动自由度的概念气体分子运动的自由度,决定某物体在空间的位置所需要的独立坐标数目。,自由度：,作直线运动的质点：,一个自由度,作平面运动的质点：,二个自由度,作空间运动的质点：,三个自由度,6 能量按自由度均分定理理想气体的内能,运动刚体的自由度：,结论：,自由刚体有六个自由度,三个平动自由度

8、,三个转动自由度,单原子分子：一个原子构成一个分子,三原子分子：三个原子构成一个分子,双原子分子：两个原子构成一个分子,三个自由度,五个自由度,六个自由度,6.2 能量按自由度均分定理,单原子分子：,能量均分定理：,在温度为T 的平衡态下，物质分子的每一个自由度都具有相同的平均动能，其大小都等于kT/2。,分子平均能量：,“i”为刚性分子自由度,单原子分子：,多原子分子：,双原子分子：,非刚性双原子分子除平动能、转动能，还有振动能：,振动自由度 s=1,每个振动自由度分配平均能 2 倍,设平动自由度 t ，转动自由度 r，振动自由度 s， 平均能量：,6.3 理想气体的内能,一、内能的概念,内

9、能:系统处在一定的状态应具有一定的能量,它是 状态的单值函数。,在热力学中,它是分子热运动的动能和分子间的势能, 用E表示。,理想气体的内能：,二、理想气体的内能,7.1 速率分布概念,设有N=100个分子，速率范围：0 300 ms-1,单个分子速率不可预知，大量分子的速率分布是遵循统计规律，是确定的，这个规律也叫麦克斯韦速率分布律。,7 气体分子热运动的速率分布规律,单位速率区间内分子数占总分子数的百分比：,物理意义：,速率在 v附近，单位速率区间内分子数占总分子数的百分比。,一般来说,它是和f(v)成正比,7.2速率分布函数,7.3 麦克斯韦速率分布定律,结论：,在麦克斯韦速率分布曲线下

10、的任意一块面积在数值上等于相应速率区间内分子数占总分子数的百分率。,7.4 气体分子热运动速率的三种统计平均值,(1) 最概然速率：,(2)平均速率：,设：速率为v1的分子数为N1个； 速率为v2的分子数为个N2 ；。,总分子数：,N=N1+ N2 + + Nn,(3) 方均根速率：,同理有:,例题4.图为同一种气体，处于不同温度状态下的速率分布曲线，试问（1）哪一条曲线对应的温度高？（2)如果这两条曲线分别对应的是同一温度下氧气和氢气的分布曲线，问哪条曲线对应的是氧气，哪条对应的是氢气？,解：,(1) T1 T2,(2)红：氧 兰：氢,例5.下列各式的物理意义分别为:,(1),(2),(3),(4),(5),(6),理想气体分子每一自由度的平均能量,理想气体分子的平均平动动能,自由度为I 的理想气体分子的平均动能,1mol理想气体的内能,m/M mol理想气体的内能,m/M mol理想气体温度由T1变化到T2的 内能增量,例6.下列各式的物理意义分别为:,(1),(2),(3),(4),速率在v-v+dv内的分子数占总分子数的百分比,速率在v-v+dv内的分子数,速率在v