理想气体的状态方程热平衡态下.ppt

1、1,第六章 气体动理论基础 6-1 平衡态 温度 理想气体状态方程 6-2 理想气体压强公式 6-3 温度的统计解释 6-4 能量均分定理 理想气体的内能 6-5 麦克斯韦分子速率分布定律*6-6 玻耳兹曼分布律 6-7 分子的平均碰撞次数和平均自由程*6-8 气体内的输运过程,2,6-1 平衡态温度理想气体状态方程,6.1.1 平衡态,1、热力学系统, 热力学系统分类,根据系统与外界交换能量或物质的特点，可以分为三种：,(1) 孤立系统与外界既无能量交换，又无物质交换的系统,(2) 封闭系统与外界只有能量交换，但无物质交换的系统,(3) 开放系统与外界既有能量交换，又有物质交换的系统,由大量

2、微观粒子（分子、原子等微观粒子）所组成的宏观物体或系统。,、平衡态,指在不受外界影响（或不变的）的条件下，系统的宏观性质不随时间变化的状态 称热平衡态。,3,系统在热平衡时，系统内任一宏观体元均处于力学平衡、 热平衡、相平衡中。, 从微观的角度应理解为动态平衡态, 若在我们所讨论的问题中，气体活动的高度空间不是很大，即重力加速度随高度的变化可以忽略，则在达热力学平衡态时，上述宏观量不仅是稳定的（指不随时间变化）还是均匀的（即不随位置变化）。, 平衡态是一种是理想概念, 处于热平衡态时，系统的宏观属性具有确定的值。因此可以用一些确定的物理量来表征系统的这些宏观属性。用来描写热平衡态下各种宏观属性

3、的物理量叫系统的宏观参量。,4,我们可以从这些参量中，选取不多的相互独立的几个物理量作为描述系统热平衡态的参量，叫系统的状态参量。 主要的参量有：几何参量，力学参量，热学参量， 化学参量，电磁参量; 体积V，压强P，热力学温度 T，摩尔数v。6.1.2 温度 、温度概念 温度是表征物体冷热程度的宏观状态参量。 温度概念的建立是以热平衡为基础的。,5,如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么，这两个系统彼此也处于热平衡。这个结论称热力学第零定律。,6,处在相互热平衡状态的系统必定拥有某一个共同的物理性质，我们把描述系统这一共同宏观性质的物理量称为系统的温度 。,、温标温度计,温度计要能定量表

4、示和测量温度，还需要建立温标即 温度的数值表示法。,其一、要选定一种合适物质（称测温质）的测温特性；其二、规定测温质的测温特性与温度的依赖关系（线性）；其三、选定温度的标准点（固定点），并把一定间隔的冷热程度分为若干度。, 主要有三个步骤,温度计:即测温的工具。,7,、热力学温标,规定水的三相点（水，冰和水蒸汽平衡共存的状态）为 273.16K。,一种与测温质和测温特性无关的温标。开尔文（lord Kelvin）在热力学第二定律的基础上建立了这种温标，称热力学温标。,例如，（一个大气压下）对水的冰点，华氏温标为32F0，攝氏温标为0C0, 对水的沸点，华氏温标为212F0，攝氏温标为100C0

5、。,由热力学温标可导出摄氏温度 t.,选用不同的测温物质或不同的测温特性，测量同一系统所得的温度数值，一般情况下并不完全相同。,8,6.1.3 理想气体状态方程,1、理想气体,2、理想气体的状态方程,热平衡态下，系统各个状态参量之间满足一定的关系，这样的关系叫系统的状态方程,克拉珀龙方程,式中是气体普适常量，在中 8.31 (Jmol-1K-1), Mmol是气体的摩尔质量。,过程方程,9,、状态图（图、图、图）,气体的平衡态除了可用一组状态参量来描述，还可用状态图来表示，而一组状态参量在状态图中对应的是一个点。不同的状态在状态图中对应点不同。,在状态图中，一条光滑的曲线代表一个由无穷多个平衡

6、态所组成的变化过程，如右图所示。,曲线上的箭头表示过程进行的方向。,由于非平衡态不能用一组确切的状态参量来描述，因此在状态图中，非平衡态过程也就无法找到相应的过程曲线与之对应。,10,6-2 理想气体压强公式,6.2.1 分子模型,3、分子间，分子与器壁间的碰撞是完全弹性的，遵守动量和能量守恒定律。,即： 理想气体分子可看作彼此间无相互作用的遵守 经典力学规律的弹性质点。,1、分子可以看作质点。（除特别考虑）,2、除碰撞外，分子之间，分子与器壁不计相互作用力。,11,6.2.2 分子性质,每个分子运动具有偶然性，然而正是由于每个分子的偶然性，才使得大量分子运动出现了规律性。这种规律性具有统计平

7、均意义，称为统计规律性。,在平衡态，当重力的影响可以忽略时，容积内各处的压强、密度、温度都相同，而分子始终在作无规则的热运动，故我们可以认为：,(1) 每个分子向各个方向运动的机会均等（ ）；,(2) 对于大量分子，向各个方向运动的分子数平均相等( )；,12,以上就是用统计平均的观点所得出的气体分子的性质。,(4) 每个分子运动速度不尽相同，由于分子不停地发生碰撞而发生变化，因而分子具有各种可能的速度。对于全同分子，不会因碰撞而丢失具有某一速度的分子。,例如：,(3) 分子速度在各个方向上的分量的各种平均值平均相等；,13,压强的统计解释,设器壁光滑，考虑速度为vi的分子 ,现讨论其对于面的

8、碰撞。,设一容器，边长为1、2、3，内有个分子。,对于i分子：,、先考察一个分子（例如i分子）一次碰撞中给予器壁A1的冲量,由牛顿第三定律，i分子给予器壁的冲量为,14,、i分子在单位时间内施于A1面的平均冲力,i分子单位时间内与A1面碰撞的次数为,则 i分子单位时间内施于A1面的总冲量（冲力）为,、所有分子在单位时间内对器壁的冲力对i求和,故若令,表示分子在X方向速率平方的平均值，,15,那么,于是所有分子在单位时间内施于A1面的冲力为,、求压强的统计平均值,令 为分子数密度（即单位体积内的分子数）,又由统计平均的观点有,所以,16,引入分子平均平动动能,压强的微观解释:,气体压强是指：容器

9、壁的单位面积上受到的大量分子碰撞冲力的时间平均值。,因此，对少量分子或个别分子上述公式不成立。,气体压强与大气压强的区别：,前者如上所述，后者则是空气重量所致。,(1) 压强是对大量分子的分子数密度和分子平均平动动能的统计平均结果。-这就是宏观量P与微观量 之间的关系。,17,6-3 温度的统计解释,6.3.1 温度的统计解释,理想气体方程,玻尔兹曼恒量,（ 为阿伏加德罗常数）,18,则有：,或,、温度是描述热力学系统平衡态的一个物理量。,、宏观量温度T是一 统计概念，,上式给出的是“动态”的含义，非平衡态系统不能用温度 来描述。,是大量分子无规则热运动的集体表现，是分子平均平动 动能的量度。

10、,此即宏观量T与微观量 的关系，这说明,19,4、温度所描述的运动是分子无规则运动（热运动，是相对质心参照系，平动动能是系统的内动能），,、 上式结果与分子的种类无关，即只要温度相同，则分子的平均平动动能就相同。,6、阿伏加德罗定律的一种表述，,即在相同的压强，相同的温度下，各种气体的分子数密度相同这是一个很有用的公式,温度和系统的整体运动无关。,例如铜块中的自由电子在时平均平动动能为4.23eV。,3、零点能的问题,20,6.3.2 气体分子的方均根速率,称之为气体分子的方均根速率。,21,6-4 能量均分定理 理想气体的内能,6.4.1 自由度,、什么叫自由度：,决定一个物体的空间位置所需

11、要的独立坐标数。,22, 理想气体的刚性分子,A：单原子分子-3个自由度（视作质点）,B：双原子分子,决定质心-3个自由度,确定转轴方位-2个自由度,C：三原子以上的分子,6个自由度-视为刚体, 实际气体-不能看成刚性分子，因原子之间还有振动。,、气体分子的自由度与气体分子的结构有关,23,6.4.2 能量均分定理,1、分子的平均平动能平均地分配在每一个平动自由度上，且每一个平动自由度上的平均平动能的大小都是(1/2)kT。,之所以会出现上述结果，是因为分子无规则热运动，相互碰 撞后达热平衡的结果。,24,2、能量按自由度均分定理,上述结果可推广到转动和振动自由度（这是因为他们之间都能通过碰撞

12、而交换能量）。即得：,在平衡态下，分子无规则热运动碰撞的结果，使得没有那 一个自由度上的能量比其它自由度上的能量更占优势。,在平衡态下，气体分子的每一个自由度的平均动能相 等，每一个自由度的能量均为 。,这就是能量按自由度均分定理,3、气体分子的平均总动能，气体分子的热运动能量,（1）一个自由度为i的刚性分子所具有的平均总动能为,25,26,6.4.3 理想气体的内能,、什么是内能：,内能是指系统内所有分子的热运动能量和分子间相互作用势能之总和。,、内能是态函数,、理想气体内能,（） 由于理想气体不计分子间相互作用力，因此理想气体的内能仅为热运动能量之总和。,是热力学状态参量P、V、T的函数，

13、即=（P、V、T）， 是相对量。因为状态参量是相对量。,27,（） 设热力学体系内有N个刚性分子，则N个分子的平均总动能的总和即内能为,由于我们只讨论刚性分子，所以理想气体刚性分子的内能只是：所有分子的平均总动能之总和。,28,(I)这说明理想气体的内能仅为温度的单值函数，因此当理想气体的状态发生变化时，其内能的增量仅与始末状态的温度有关，而与过程无关，即,(II)单原子气体 双原子气体 多原子气体子,29,6-5 麦克斯韦分子速率分布定律,* 几个概念的说明：,1、概率,（1）离散型随机变量的概率（如掷骰子）等可能事件的概率,事件A出现的概率,（2）连续型随机变量的概率（如麦克斯韦速率分布）

14、,概率具有以下性质,（1）概率的取值域为0P（A）1；（2）各种可能发生事件的概率总和等于1，即,30,考虑事件的统计规律时，个别事件的偶然性和其自身所遵从的规律退居次要地位，而且一般说来，不可能从个别事件所遵从的规律导出其所遵从的统计规律。,对于随机变量，则为,此式称为概率归一化条件。,2、统计分布律 一种对于大量偶然事件的整体起作用的规律。,3、概率和统计值都遵从涨落规律,31,6.5.1 气体分子的速率分布 分布函数,如果我们将气体分子在平衡态下，所有可能的运动速率(在经典物理中为0)，按照从小到大的排列，分成一系列相等的速率区间，例如从：,（i）如果跟踪考察某些个别分子，在某一瞬间，到

15、底在哪个速率区间内运动，那么，我们发现这种运动完全是偶然的，无规则的(即随机的），毫无意义的。,对某一分子，其任一时刻的速度具有偶然性，但对于大量分子，其速率的分布从整体上会出现一些统计规律。,32,（ii）如果我们考察的对象，不是个别的具体的分子，而是大量分子的整体，例如我们考察：在某一平衡态下，分布在各个速率区间内的分子数，占总分子数N的百分比这时就会发现，它是存在确切的统计规律的，按照这个思路考虑下去，就可得到麦氏速率分布律。,33,1、麦氏速率分布曲线,若以v为横轴，f（v）的值为纵轴，以分布函数作曲线，这就是麦氏速率分布曲线。,1）图中小方块面积的物理意义,小方块的面积为,表示分子速

16、率分布在v附近，vv+v区间内的分子数占总分子数N的百分比，,34,2）曲线下总面积,由小方块面积可知，曲线下总面积为,由归一化条件可知，曲线下总面积之总和为1，是一个常数，虽然曲线形状与温度等有关，但总面积将保持不变。,35,2、分布函数的归一化条件,表示分布在v1-v2区间内的分子数。,36,10分布在v1-v2区间内的分子数占总分子数的百分比,（或一个分子的速率处于v 1v2区间内的概率）, 分布在0速率区间内所有的分子，其与总分子数的比值是1，即,这就是分布函数的归一化条件的数学表示。,(一个分子的速率分布在0的所有可能区间的概率当然是1),37,这就是麦氏速率分布函数。,3、麦克斯韦

17、速率分布函数,将气体分子的所有可能的速率，按照从小到大分隔成一系列相等的速率间隔，即v1v1+v, v2v2+v,然后考察分布在速率间隔v+v内的分子数N占总分子数的百分比N/N, 为了进一步消除速率间隔v的影响，将比值N/N除以v,即得 N/Nv 取极限，并令极限值为以f(v)表示，其是速率v的确定函数。即,38,速率分布函数的物理意义,一定质量的气体，在给定温度下，在平衡态时，,39,麦氏速率分布函数式：,式中T为气体的热力学温度，m是分子的质量，是玻尔兹曼恒量。,6.5.2 麦克斯韦速率分布规律,一个分子在vvdv区间内的概率为,40,6.5.3 分子速率的3个统计值,1、最概然速率,与

18、气体分子速率分布曲线极大值对应的速率叫做气体分子的最概然速率vp 。,物理意义是：对所有相同的速率区间而言，速率在含有vp区间内的分子数占总分子数的百分比最大。,或：气体分子的速率取vp附近值的概率为最大。,41,将函数f(v) 对v求导得,42,2、平均速率,将麦氏速率分布函数式代入得,43,3、方均根速率,44,1、温度与分子速率,(设它们的温度分别为 73K,273K,1273K),6.5.4 麦克斯韦分布曲线的性质,45,2、质量与分子速率,46,*6玻耳兹曼分布律,6.6.1 麦克斯韦速度分布律,前面讨论的分子速率分布未考虑分子速度方向，要找出分子按速度的分布，就是要找出速度分量在v

19、xvx +dvx，vyvy +dvy ，vzvz+dvz 区间的分子数占总分子数的百分比。,麦克斯韦推导出了速度分布律,在速度空间单位体积元内的分子数占总分子数的百分比， 即称之为气体分子的速度分布函数，为,47,6.6.2 玻耳兹曼分布律,麦氏速度分布律是在没有考虑外力场作用时的分布律，这时分子在空间的分布是均匀的，即气体分子的密度是均匀分布的(既稳恒又均匀）。,48,由麦氏速度分布函数,如果考虑外力场的作用（例如重力场、电场、磁场等），则在平衡态时，只是稳恒的而不再是均匀的。这时分子的分布除了考虑速度区间（ dvxdvy dvz）外，还要了解在空间各处的分布将怎样变化，即分子在xx+dx，

20、yy+dy，zz+dz区间内的分子数占总分子数的比率，即考虑位置区间（dxdydz）。,49,即：在没有外力场时，分子按速度的分布只与分子的动能有关。,如果分子处于保守力场中，则应考虑在能量中还要包含有势能，即,由于势能函数一般说来是位置的函数，因此，这时分子数密度在空间的分布也将与位置有关。从某种意义上讲：,50,玻耳兹曼把麦氏速度分布推广,由于势能函数一般说来是位置的函数，因此，这时分子数密度在空间的分布也将与位置有关。,称玻耳兹曼因子, 比例常数,上式为玻耳兹曼分布,51,1、 体积元dV=dxdydz内的总分子数,因为在速率空间中有,所以，有,如令n0表示势能Ep=0处单位体积内具有各

21、种速度的分子总数，则在空间体积元dxdydz 内的分子数，为,即,52,表示在空间某位置（具有Ep）的体积元dVdxdydz内的总 分子数。,、分子数密度按势能分布的规律,上式两边除以体积元 dV=dxdydz,即，单位体积元内具有各种速度的分子数，随势能Ep的增加而呈指数衰减。,53,例6.2设有N个粒子，其速率分布函数为,(1)作出速率分布曲线；,(2)由N和 求a值；,(3)求 ；,(4)求N个粒子的平均速率 ；,(5)求速率介于0 之间的粒子数；,(6)求 区间内粒子的平均速率 .,54,解(1)速率分布曲线如图6.11所示.,图6.11,(2)由分布函数必须满足归一化条件，即,有,所

22、以,(3)由 的物理意义知 .,(4)N个粒子的平均速率,55,(5) 0 内粒子数,(6) 内平均速率,56,6-7 分子的平均碰撞次数和平均自由程,问题的提出,前面已经说过：分子速率在几百米/秒的数量级，但为什么食堂炸油饼时并不能马上闻到油香味呢？,原来分子速率虽高，但分子在运动中还要和大量的分子碰撞。,57,6.7.1 平均碰撞次数,碰撞频率： 指一个分子在单位时间内与其它分子相碰的次数Z。,平均碰撞频率： 一个分子在单位时间内受到的碰撞次数的平均值 。,58,6.7.2 平均自由程,、自由程：,平均自由程：,分子在连续两次碰撞之间所经历的直线路径,分子在连续两次碰撞之间所经历的直线自由

23、程的平均值 。,当温度恒定时，平均自由程与气体的压强成反比，压强越小(空气越稀薄)，平均自由程越长,59,决定 和 的因素：,这样，在A分子运动的路径上，凡分子中心与A分子中心的距离小于或等于分子有效直径d的分子都会与A分子发生碰撞。,为此我们以A分子中心的运动轨迹为曲线，以分子直径d为半径，做一曲折圆柱体，那么，凡分子中心在圆柱体内的分子，都会与A分子发生碰撞，,假定气体中只有一个分子（例如A分子）以平均相对速率 运动，而其它分子认为是静止不运动的。,60,理论证明：气体分子的平均相对速率 与平均速率 间有,（） 这说明：平均自由程 与分子数密度 成反比。,（）对于理想气体,61,62,例6

24、.3试计算氧气在标准状态下的分子平均碰撞频率和平均自由程.,解根据 及,由表6.2知氧分子的 ，代入得,又,由此可见平均每秒碰撞达40亿次之多，平均自由程仅有亿分之几米.,63,例6.4试估算空气分子在0时的平均自由程.,(1) 时；,(1) 时；,解由表6.2知空气分子的,64,混合气体内部，如果某种气体在容器中各部分密度不均匀，该种气体分子将从密度大处向密度小处迁移，这种现象叫做扩散.,气体扩散系数,6.8.1 扩散,为平均自由程,65,物体内各部分温度不均匀时，热量总是通过介质由高温处传递到低温处，这种现象称为热传导.,6.8.2 热传导,热导率,利用气体定体摩尔热容量公式,热传导是由原子或分子间的相互作用所导致，它是热量交换的3种基本方式之一，另两种是对流和辐射.,66,粘滞力大小与界面处的速度梯度和面积成正比，即,6.8.3 粘性,该式叫做牛顿粘滞定律，比例系数叫做粘滞系数，与流体的性质和状态有关.,粘滞系数,粘滞现象、热传导及扩散分别对应着动量、热量与质量的传递.3种输运现象有共同的宏观特征，必定发生在处于非平衡状态的系统之中，都是与某些物理量在空间呈不均匀分布相联系着的.如果外界对该非平衡系统不产生影响，让输运过程自发地进行，那么相应物理量的输运过程也就是系统状态不断变化的过程，最后必然会过渡到一种新的平衡态.,