气体动理论课件

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1、第十章气体动理论10-1 气体动理论的基本概念10-1-1 分子动理论的基本观点 按照物质结构的理论，自然界所有的物按照物质结构的理论，自然界所有的物质实体都是由分子组成，分子处于永不停息质实体都是由分子组成，分子处于永不停息的、杂乱无章的运动之中；分子与分子之间的、杂乱无章的运动之中；分子与分子之间相隔一定的距离，且存在相互作用力。这样相隔一定的距离，且存在相互作用力。这样一种关于物质结构的理论称为一种关于物质结构的理论称为“分子动理论分子动理论”。分子热运动：大量分子的无规则运动大量分子的无规则运动阿伏伽德罗常量阿伏伽德罗常量 ( (NA) ) ： 1 mol 的任何物质含有的分子数。的任

2、何物质含有的分子数。单位体位体积内的分子数内的分子数物物物物质质质质密度密度密度密度 /(kgm/(kgm3 3) )摩摩摩摩尔尔尔尔质质量量量量MM/(kgmol/(kgmol1 1) )分子分子分子分子质质量量量量mm0 0/kg/kg分子数密度分子数密度分子数密度分子数密度n n/m/m-3-3铁铁7.8107.8103 356105610-3-39.3109.310-26-268.4108.4102828水水水水10103 318101810-3-33.0103.010-26-263.3103.3102828氮氮氮氮1.151.1528102810-3-34.6104.610-26-2

3、62.5102.5102525分子动理论的基本观点：分子动理论的基本观点： （1 1） 分子与分子之间存在着一定的距离分子与分子之间存在着一定的距离 （2 2） 分子间存在相互作用力分子间存在相互作用力 rr0OF 引力引力斥力斥力（3 3） 构成物质的分子处构成物质的分子处于永恒的、杂乱无章的运动于永恒的、杂乱无章的运动之中。之中。 10-1-2 分子热运动与统计规律 气体分子动理论是从物质的微观分子热运动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。出发，去研究气体热现象的理论。微观量：微观量：分子的质量、速度、动量、能量等。分子的质量、速度、动量、能量等。宏观量：宏

4、观量： 温度、压强、体积等。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。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：宏观量与微观量的关系： 宏观量与微观量的内在联系表现在大量分子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。的统计平均值。10-1-3 理想气体的微观模型 理想气体的微观模型：1. 1. 分子线度与分子间距相比较可忽略，分子被分

5、子线度与分子间距相比较可忽略，分子被看做质点。看做质点。2. 2. 除了分子碰撞的瞬间外，忽略分子间的相互除了分子碰撞的瞬间外，忽略分子间的相互作用。作用。3. 3. 气体分子在运动中遵守经典力学规律，假设碰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。撞为弹性碰撞。 理想气体分子是自由地，无规则地运动着的弹性质点群。10-2 理想气体物态方程的微观解释10-2-1 理想气体压强的统计意义 克劳修斯指出：克劳修斯指出：“气体对容器气体对容器壁的压强是大量分子对容器壁壁的压强是大量分子对容器壁碰撞的平均效果。碰撞的平均效果。”设设: 体积：体积：V ; 分子数：分子数：N 分子数密度：分

6、子数密度：n 分子质量：分子质量：m0立方体容器：立方体容器：O将分子按速度分组，每一将分子按速度分组，每一组的分子具有相同的速度。组的分子具有相同的速度。假设每组的分子数密度为假设每组的分子数密度为 ni ，速率为，速率为 vi ：x 方向方向分子与器壁碰撞后分子与器壁碰撞后动量的增量：动量的增量：分子对器壁的冲量：分子对器壁的冲量：同组中同组中dt时间内与面元时间内与面元dS碰撞的分子数：碰撞的分子数：O冲量：冲量：因为只有因为只有 vix 0 的分子的分子才能与一侧器壁发生碰才能与一侧器壁发生碰撞，所以有：撞，所以有：作用于面元的压力：作用于面元的压力：压强：压强： 根据统计假设：根据统

7、计假设：O 因为因为所以所以道尔顿分压定律：道尔顿分压定律：混合气体的压强等于其中各种气混合气体的压强等于其中各种气体分子组分压强之总和。体分子组分压强之总和。10-2-2 温度的微观意义结论： 温度标志着物体内部分子热运动的剧烈程度，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量度。它是大量分子热运动的平均平动动能的量度。因为因为方均根速率：方均根速率： 10-2-3 理想气体物态方程的微观解释例例例例1 1 1 1 试求氮气分子的平均平动动能和方均根速率。试求氮气分子的平均平动动能和方均根速率。设：（设：（1）在温度）在温度t = 1000 时；（时；（2）t

8、 = 0 时。时。解：解：10-2-4 真实气体的范德瓦耳斯方程 二氧化碳气体的等温线二氧化碳气体的等温线 13等温线：等温线： GA部分：与理想气体的部分：与理想气体的等温线相似。等温线相似。 AB部分：气液共存。部分：气液共存。 饱和汽：饱和汽：在气液共存时在气液共存时的蒸气。的蒸气。BD部分：曲线几乎与体部分：曲线几乎与体积轴垂直，反映了液体不积轴垂直，反映了液体不易压缩的性质。易压缩的性质。 21等温线等温线: 气液共存线较短，饱气液共存线较短，饱和汽压强较高和汽压强较高 。结论：结论：饱和气压强与饱和气压强与蒸气的体积无关、却蒸气的体积无关、却与温度有关。与温度有关。 31.1 时：

9、时：临界等温线临界等温线 气液共存线收缩为一拐点，称为气液共存线收缩为一拐点，称为临界点临界点 。48.1时：时：其等温线相似于理想气体的等轴双曲线。其等温线相似于理想气体的等轴双曲线。 对理想气体物态方程的修正：对理想气体物态方程的修正：（1）体积修正）体积修正设设V 为容器体积，为容器体积，b为为1 mol 分子所占体积。分子所占体积。或（2）压强修正）压强修正 考虑分子间存在引力，气体分子施与器壁的考虑分子间存在引力，气体分子施与器壁的压强应减少一个量值，称为压强应减少一个量值，称为内压强内压强 （pi）。）。a为比例系数为比例系数范德瓦耳斯方程：范德瓦耳斯方程： 范德瓦耳斯方程描述范德

10、瓦耳斯方程描述二氧化碳气体等温线曲线二氧化碳气体等温线曲线与真实气体的等温曲线比与真实气体的等温曲线比较，除在低温时，在虚线较，除在低温时，在虚线部分不符合外，其他都能部分不符合外，其他都能很好地吻合很好地吻合 。10.3 能量按自由度均分原理 10-3-1 10-3-1 自由度自由度自由度：自由度：确定一个物体在空间的位置所必需的独确定一个物体在空间的位置所必需的独立坐标数目。立坐标数目。做直线运动的质点：一个自由度一个自由度做平面运动的质点：二个自由度二个自由度做空间运动的质点：三个自由度三个自由度运动刚体的自由度：运动刚体的自由度：zyx Czxy结论：结论：自由刚体有自由刚体有六个六个

11、自由度自由度三个三个平动平动自由度自由度三个三个转动转动自由度自由度单原子分子：单原子分子：一个原子构成一个分子一个原子构成一个分子多原子分子：多原子分子：三个以上原子构成一个分子三个以上原子构成一个分子双原子分子：双原子分子：两个原子构成一个分子两个原子构成一个分子三个三个自由度自由度氢、氧、氮等氢、氧、氮等五个自由度五个自由度氦、氩等氦、氩等六个自由度六个自由度水蒸气、甲烷等水蒸气、甲烷等10-3-2 10-3-2 能量按自由度均分原理能量按自由度均分原理 单原子分子：单原子分子：能量均分定理：能量均分定理： “i”为分子自由度数为分子自由度数 在温度为在温度为T 的平衡态下，物质分子的每

12、个自由的平衡态下，物质分子的每个自由度都具有相同的平均动能，其值为度都具有相同的平均动能，其值为 。分子平均动能：分子平均动能：单原子分子：单原子分子：多原子分子：多原子分子：双原子分子：双原子分子：10-3-3 10-3-3 理想气体的内能理想气体的内能 摩尔热容摩尔热容 内能：内能： 气体中所有分子的动能和分子间相互作用势气体中所有分子的动能和分子间相互作用势能的总和。能的总和。理想气体内能：理想气体内能：气体中所有分子的动能。气体中所有分子的动能。1mol 理想气体内能：理想气体内能：质量为质量为m，摩尔质量为，摩尔质量为M的理想气体内能：的理想气体内能：内能的改变量：内能的改变量：结论

13、：结论：理想气体的内能只是温度的单值函数。理想气体的内能只是温度的单值函数。1mol 理想气体在等体过程中吸收的热量为理想气体在等体过程中吸收的热量为 摩尔定荣热容：摩尔定荣热容：根据迈耶公式：根据迈耶公式： 摩尔定压热容：摩尔定压热容： 比热容比：比热容比： 例例2 容器内有某种理想气体，气体温度为容器内有某种理想气体，气体温度为273K，压，压强为强为0.01 atm ( 1atm = 1.013105 Pa )，密度为，密度为1.2410-2 kg m-3。试求：。试求：（1） 气体分子的方均根速率；气体分子的方均根速率；（2） 气体的摩尔质量，并确定它是什么气体；气体的摩尔质量，并确定

14、它是什么气体；（3） 气体分子的平均平动动能和平均转动动能各是气体分子的平均平动动能和平均转动动能各是多少？多少？（4） 单位体积内分子的平动动能是多少？单位体积内分子的平动动能是多少？（5） 若气体的物质的量为若气体的物质的量为0.3 mol，其内能是多少？，其内能是多少？（1）气体分子的方均根速率为气体分子的方均根速率为 解：解：由物态方程由物态方程 （2）根据物态方程，得根据物态方程，得 氮气（氮气（N2 ）或一氧化碳（）或一氧化碳（CO）气体）气体（3）分子的平均平动动能：分子的平均平动动能： 分子的平均转动动能：分子的平均转动动能： （4）单位体积内的分子数：单位体积内的分子数： （

15、5）根据内能公式根据内能公式 10-4 10-4 麦克斯韦速率分布麦克斯韦速率分布 10-4-1 麦克斯韦速率分布函数 设有设有 N = 100 个粒子，速率范围：个粒子，速率范围：0 300 m s-1 2050300.20.50.3单位速率区间内分子数占总分子数的百分比：单位速率区间内分子数占总分子数的百分比：速率分布函数：速率分布函数：速率分布函数的物理意义：速率分布函数的物理意义： 速率在速率在 v 附近，单位速率区间内分子数占总附近，单位速率区间内分子数占总分子数的百分比。分子数的百分比。麦克斯韦速率分布函数：麦克斯韦速率分布函数：f(v)vdv玻耳兹曼常量：玻耳兹曼常量：f(v)v

16、v2v1结论：结论： 在麦克斯韦速率分布曲线下的任意一块面积在数在麦克斯韦速率分布曲线下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比。值上等于相应速率区间内分子数占总分子数的百分比。归一化条件：归一化条件：10-4-2 气体分子速率分布的测定 1934年我国年我国物理学家葛正物理学家葛正权用实验测定权用实验测定了分子的速率了分子的速率分布分布 。10-4-3 三个统计速率（1）平均速率：）平均速率：设：速率为设：速率为v1的分子数为的分子数为 N1个；个； 速率为速率为v2的分子数为的分子数为 N2个；个； 总分子数：总分子数：N = N1+ N2 + + Nn （2）方均

17、根速率：方均根速率：（3）最概然速率）最概然速率f(v)v 在平衡态条件下，理想气体分子速率分布在在平衡态条件下，理想气体分子速率分布在vp附近的单位速率区间内的分子数占气体总分子数的附近的单位速率区间内的分子数占气体总分子数的百分比最大。百分比最大。 f(v)vT1T2例例3 图为同一种气体，处于不同温度状态下的速率图为同一种气体，处于不同温度状态下的速率分布曲线，试问（分布曲线，试问（1）哪一条曲线对应的温度高？）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）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，哪条和氢气的分布曲线，问

18、哪条曲线对应的是氧气，哪条对应的是氢气？对应的是氢气？解：解：(1) T1 v 0)0 ( v v0 )（1）作速率分布曲线。）作速率分布曲线。（2）由）由N 和和v0求常量求常量C。（3）求粒子的平均速率。）求粒子的平均速率。（4）求粒子的方均根速率。）求粒子的方均根速率。Cv0vO 解：解：10-5 10-5 玻耳兹曼能量分布玻耳兹曼能量分布 奥地利物理学家玻耳奥地利物理学家玻耳兹曼（兹曼（Boltzmann，1844 - 1906），在麦克斯韦速率），在麦克斯韦速率分布的基础上考虑到外力分布的基础上考虑到外力场对气体分子分布的影响，场对气体分子分布的影响，发现了气体分子按能量分发现了气体

19、分子按能量分布的规律。布的规律。 10-5-1 重力场中分子数密度分布 大气薄层的质量：大气薄层的质量： 等温气压公式：等温气压公式： p(0) 为海平面的大气压为海平面的大气压p(z) 为海拔高度为为海拔高度为 z 的大气压的大气压因为因为为分子的重力势能10-5-2 玻耳兹曼能量分布 保守力场中分子的能量：保守力场中分子的能量：空间区域：空间区域：速度区间：速度区间：玻耳兹曼能量分布律：玻耳兹曼能量分布律：根据归一化条件根据归一化条件 体元中含有各种速度的分子数为体元中含有各种速度的分子数为 玻耳兹曼密度分布律：玻耳兹曼密度分布律：10-5-3 大气的垂直温度梯度设气体的上升过程是一个准静

20、态的绝热过程。设气体的上升过程是一个准静态的绝热过程。 取微分取微分 解得解得 因为因为 海拔高度每升高海拔高度每升高100 m温度降低约温度降低约 1 K 。空气分子平均摩尔质量：空气分子平均摩尔质量： M = 2910-3 kg. mol-1； 比热容比比热容比 ：10-6 10-6 气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程 和碰撞频率和碰撞频率 10-6-1 分子的平均碰撞频率 碰撞频率（碰撞频率（z）：）：单位时间内，分子与其他分子发单位时间内，分子与其他分子发生碰撞的平均次数。生碰撞的平均次数。分子直径：分子直径：d，分子数密度：，分子数密度： n单位时间内有单位时间内有 个分子和其

21、他分子发生碰撞个分子和其他分子发生碰撞碰撞频率：碰撞频率：dd平均自由程（平均自由程（ ）：分子在连续两次和其他分子发分子在连续两次和其他分子发生碰撞之间所通过的自由路程的平均值。生碰撞之间所通过的自由路程的平均值。10-6-2 平均自由程 平均自由程：平均自由程：结论：结论： 平均自由程只与分子的直径和密度有关，而与平均自由程只与分子的直径和密度有关，而与平均速率无关。平均速率无关。 当温度一定时，平均自由程与压强成反比，压当温度一定时，平均自由程与压强成反比，压强越小，平均自由程越长。强越小，平均自由程越长。例例6 6 求氢在标准状态下一秒内分子的平均碰撞次数。求氢在标准状态下一秒内分子的

22、平均碰撞次数。（已知分子直径（已知分子直径d = 2 10-10m )解：解：（约（约80亿次）亿次）10-7 10-7 气体的输运现象气体的输运现象 三种输运现象：三种输运现象：1. 当气体各层流速不均匀时发生的当气体各层流速不均匀时发生的粘滞现象粘滞现象。2. 当气体温度不均匀时发生的当气体温度不均匀时发生的热传导现象热传导现象。3. 当气体密度不均匀时发生的当气体密度不均匀时发生的扩散现象扩散现象。10-7-1 粘滞现象 xzu u= =u u(z)(z)u0u = 0zoFF牛顿粘滞定律：牛顿粘滞定律： 称为粘滞系数称为粘滞系数结论：结论：粘滞现象的微观本质是分子动量的定向迁移。粘滞现

23、象的微观本质是分子动量的定向迁移。10-7-2 热传导现象 zT+dTTz0+dzz0傅里叶热传导定律：傅里叶热传导定律：热导率：热导率： 热传导现象的微观本质是分子热运动能热传导现象的微观本质是分子热运动能量的定向迁移。量的定向迁移。结论：结论：10-7-3 扩散现象z0+dzz0z+d菲克扩散定律：菲克扩散定律： 扩散系数：扩散系数： 气体扩散现象的微观本质是质量的定向迁气体扩散现象的微观本质是质量的定向迁移。移。结论：结论：10-8 熵与热力学第二定律10-8-1 热力学第二定律的统计意义设分子数设分子数 N = 4 4微观态：微观态：在在A、B 两室中分子各两室中分子各种可能的分布状态

24、。种可能的分布状态。宏观态：宏观态：对各分子不加区别，仅对各分子不加区别，仅从从 A、B 两室的分子数分布来确两室的分子数分布来确定的状态。定的状态。共有共有5种宏观态，种宏观态，16种微观态种微观态结论：结论：不同宏观态所包含的微观不同宏观态所包含的微观态数目不同。态数目不同。 N假设气体总分子数为假设气体总分子数为 N ，在某一个宏观态下在某一个宏观态下A 室室中有中有 n 个分子。这一宏观态包含的微观态数目：个分子。这一宏观态包含的微观态数目： 两边取对数两边取对数 由斯特林公式由斯特林公式 ：对微观态数对微观态数求极值求极值解得解得A、B 两室分子均匀分布时的宏观态所包含的微两室分子均

25、匀分布时的宏观态所包含的微观态数目观态数目最大最大 。结论：结论：自由膨胀过程实质上是由包含微观态数目少自由膨胀过程实质上是由包含微观态数目少的宏观态向包含微观态数目多的宏观态方向进行。的宏观态向包含微观态数目多的宏观态方向进行。 不可逆过程的实质：不可逆过程的实质：孤立系统内部发生的一切不孤立系统内部发生的一切不可逆过程总是由包含微观态数目少的宏观态向包可逆过程总是由包含微观态数目少的宏观态向包含微观态数目多的宏观态方向进行。含微观态数目多的宏观态方向进行。 一切不可逆过程都是从有序状态向无一切不可逆过程都是从有序状态向无序状态的方向进行。序状态的方向进行。10-8-2 熵与热力学概率 热力

26、学第二定律表明，一切与热现象有关的实热力学第二定律表明，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，而这种不可逆性并不取际宏观过程都是不可逆的，而这种不可逆性并不取决于过程本身，而是反映了始末两个状态在性质上决于过程本身，而是反映了始末两个状态在性质上的差异。从统计意义上来认识，这种差异表现为始的差异。从统计意义上来认识，这种差异表现为始末两个宏观态所包含的微观态数目不同，并直接决末两个宏观态所包含的微观态数目不同，并直接决定了过程进行的方向。定了过程进行的方向。引入反映热力学系统状态的一个态函数引入反映热力学系统状态的一个态函数熵（熵（S ） , 单位：单位：JK-1 玻耳兹曼关系式：玻耳兹

27、曼关系式： 熵是组成系统的微观粒子的无序性（即混乱度）的量度。 当孤立系统处于平衡态时，其熵当孤立系统处于平衡态时，其熵 S 达到最大值达到最大值 。设某一热力学系统由设某一热力学系统由n个子系统组成，子系统的热个子系统组成，子系统的热力学概率分别为力学概率分别为1，2，n 。根据概率论的乘法原理，有根据概率论的乘法原理，有 结论：结论：熵具有可叠加性。熵具有可叠加性。 10-8-3 克劳修斯熵 熵增加原理 不可逆过程：不可逆过程：微观态数少的状态微观态数少的状态( (1) ) 微观态数多的状态微观态数多的状态( (2 2 ) )因为因为1 2 可逆过程：可逆过程： 1 =2熵增加原理熵增加原

28、理: 孤立系统中发生的一切不可逆过程都孤立系统中发生的一切不可逆过程都将导致系统熵的增加；而在孤立系统中发生的一切将导致系统熵的增加；而在孤立系统中发生的一切可逆过程，系统的熵保持不变可逆过程，系统的熵保持不变 。熵的热力学定义：熵的热力学定义： 设一定量的理想气体在温度为设一定量的理想气体在温度为T 下作等温膨胀，下作等温膨胀，体积从体积从V1变化为变化为V2 。一个分子在容器中的率：一个分子在容器中的率：N 个分子在容器中的个分子在容器中的概概率：率：S 0等温膨胀后的熵变：等温膨胀后的熵变：等温膨胀的吸热为：等温膨胀的吸热为：则则微过程：微过程： Q/T称为热温比 对于任意一个热力学过程

29、对于任意一个热力学过程 不等号表示不可逆过程不等号表示不可逆过程积分式积分式 注意：注意： 熵是一个态函数。熵的变化只取决于初、末两个熵是一个态函数。熵的变化只取决于初、末两个状态，与具体过程无关。状态，与具体过程无关。 熵具有可加性。系统的熵等于系统内各部分的熵具有可加性。系统的熵等于系统内各部分的熵之和。熵之和。 克劳修斯熵只能用于描述平衡状态，而玻耳兹克劳修斯熵只能用于描述平衡状态，而玻耳兹曼熵则可以用以描述非平衡态。曼熵则可以用以描述非平衡态。 例例7 试求试求 1mol 理想气体由初态（理想气体由初态（ T1， V1）经某一）经某一过程到达终态（过程到达终态（ T2，V2）的熵变。假定气体的摩尔定）的熵变。假定气体的摩尔定容热容容热容 CV,m为一恒量。为一恒量。解：解：（T1V1）（T2V1）等体升温等体升温 S1（T2V1）（T2V2）等温膨胀等温膨胀 S2解法一解法一（T1V1）（T1，V2）等温膨胀等温膨胀 S1（T1V2）（T2，V2）等体升温等体升温 S2解法二解法二解法三解法三