大學物理熱學1分子運動論.ppt

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1、熱學,熱學是研究與熱現(xiàn)象有關的規(guī)律的科學。,熱運動：物體中大量分子或原子無規(guī)則的運動 熱現(xiàn)象：由于物體溫度的變化而引起物體性 質、形態(tài)的變化。熱現(xiàn)象是物質中大量分子無規(guī)則運動的集體表現(xiàn)。 熱現(xiàn)象的例子：熱脹冷縮、相變、高溫退磁。,熱學的研究方法：,熱力學,統(tǒng)計力學,宏觀法與微觀法相輔相成。,2.微觀法. 物質的微觀結構 + 統(tǒng)計方法 ------稱為統(tǒng)計力學 其初級理論稱為氣體分子運動論(氣體動理論) 優(yōu)點：揭示了熱現(xiàn)象的微觀本質。 缺點：可靠性、普遍性差。,1.宏觀法. 最基本的實驗規(guī)律邏輯推理(運用數(shù)學) ------稱為熱力學。 優(yōu)點：可靠、普遍。 缺點：未揭示微觀本質。,第1

2、7章 溫度和氣體動理論,熱力學系統(tǒng)與外界 熱力學研究的對象----熱力學系統(tǒng).,17.1 宏觀和微觀、平衡態(tài),例：若汽缸內氣體為系統(tǒng)，其它為外界,熱力學系統(tǒng)以外的物體稱為外界。,它包含極大量的分子、原子。 以阿佛加德羅常數(shù) NA=61023 計。,宏觀量與微觀量,對熱力學系統(tǒng)的兩種描述方法：,1. 宏觀量 從整體上描述系統(tǒng)的狀態(tài)量，一般可以直接測量。 如 M、V、E 等----可以累加，稱為廣延量。 P、T 等----不可累加，稱為強度量。,平衡態(tài)：處于不變外界條件下的熱學系統(tǒng)（系統(tǒng)與外界無質量和能量交換）經過很時間后達到一個確定的狀態(tài)，在此狀態(tài)下系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)量如：P、T不隨時間改變

3、，稱此狀態(tài)為平衡態(tài)。平衡態(tài)在PV 圖上用一點來表示。,平衡態(tài)是一個理想化模型，我們主要研究平衡態(tài)的熱學規(guī)律。,說明：動態(tài)平衡 處在平衡態(tài)的大量分子仍在作熱運動，而且因為碰撞， 每個分子的速度經常在變，但是系統(tǒng)的宏觀量不隨時間 改變。這稱為動態(tài)平衡。,箱子假想分成兩相同體積的部分，達到平衡時，兩側粒子有的穿越界線，但兩側粒子數(shù)相同。,粒子數(shù)是宏觀量,描述熱力學系統(tǒng)在平衡態(tài)下的物理量:,壓強P 的單位：帕斯卡（帕，Pa）,熱力學溫度T 的單位：開爾文( K ),( t：攝氏溫度),P、V、T,狀態(tài)參量,17.2 溫度的概念,A、B 兩體系互不影響 各自達到平衡態(tài),A、B 兩體系的平衡態(tài)有聯(lián)系達到共

4、同的熱平衡狀態(tài)（熱平衡），A、B 兩體系有共同的宏觀性質，稱為系統(tǒng)的溫度。,處于熱平衡的多個系統(tǒng)具有相同的溫度,溫度測量,設 A 和 B、B 和 C 分別熱平衡，則 A 和 C 一定熱平衡。 （熱力學第零定律）,A 和 B 熱平衡， TA=TB ；,B << A， A 改變很小，TA 基本是原來體系 A 的溫度,熱脹冷縮特性，標準狀態(tài)下，冰水混合，B 上留一刻痕， 水沸騰，又一刻痕，之間百等份，就是攝氏溫標（oC)。,酒精或水銀,17.3 理想氣體溫標,用水銀或酒精的熱脹冷縮特性，溫標不準確,用理想氣體的波義耳定律，可以給出理想氣體溫標,PV=const.（溫度不變）,理想氣體嚴格遵守波義耳定

5、律,定義理想氣體溫標 T，使 PV T,水的相圖， 三相點只有一個 （水的三相點演示）,體積保持不變,攝氏溫度 t 與理想氣體溫度 T的關系 t=T-273.15,稀薄的實際氣體接近理想氣體,溫度很低時氣體液化，氣體溫度計失效。,熱力學溫標與任何物質特性無關，但與理想氣體溫標等價,17. 理想氣體狀態(tài)方程,,一、理想氣體狀態(tài)方程,氣體密度,,二、道爾頓分壓定理,設有幾種分子置于同一容器中，容器體積為V，溫度為T,分壓強某氣體 單獨存在是容器的 壓強,總壓強為,,,例：如圖所示，求容器最后的壓力。,,,例2：求大氣壓強隨高度h 變化的規(guī)律，設空氣的溫度不隨高度變化。,解：如圖，在高度為h處有一

6、薄空氣層，在重力和上下壓力作用下處于平衡狀態(tài)，所以可得下面方程,,設空氣 為理想氣體，則可以得出下式,代入上式,,,,,,h,h,h+dh,,,dmg,,Ps,(P+dP)S,,,上式稱為恒溫氣壓公式，h<2Km,,例3： 一體積為1.010-3 m3 的容器中， 含有4.010-5 kg的氦氣和4.010-5 kg的 氫氣，它們的溫度為 300C，試求容器中混 合氣體的壓強。,17.5 理想氣體微觀模型,1. 對單個分子的力學性質的假設,分子當作質點，不占體積； （因為分子的線度<<分子間的平均距離） 分子之間除碰撞的瞬間外，無相互作用力。 （忽略重力） 彈性碰撞（動能不變） 服從牛頓力學

7、分子數(shù)目太多，無法解這么多的聯(lián)立方程。 即使能解也無用，因為碰撞太頻繁，運動情況瞬 息萬變， 必須用統(tǒng)計物理的方法來研究。,(理想氣體的微觀假設),每個粒子服從力學規(guī)律，運用統(tǒng)計平均方法，求平 均效應，再與宏觀測量相比較，從而解釋現(xiàn)象,17.6 統(tǒng)計物理方法,設有一臺儀器追蹤某一粒子N次,微觀量為,統(tǒng)計平均一般取,統(tǒng)計物理方法：,,定義: 某一事件 i 發(fā)生的概率為 Pi Ni ---- 事件 i 發(fā)生的 次數(shù) N ---- 各種事件發(fā)生的 總次數(shù),統(tǒng)計規(guī)律有以下幾個特點: （1）只對大量偶然的事件才有意義. （2）它是不同于個體規(guī)律的整體規(guī)律(量變到質變). （3）總是伴隨著

8、漲落,相對平均值的偏差。,為歸一化條件,大量偶然事件從整體上反映出來的一種規(guī)律性。,,伽爾頓板實驗,粒子數(shù)按空間 位置X 分布曲線,粒子落入其中一 格是一個偶然事件， 大量粒子在空間的 分布服從統(tǒng)計規(guī)律。,一個統(tǒng)計規(guī)律,表演實驗：伽耳頓板,17.7 麥克斯韋速率分布律,一、 麥克斯韋速率分布函數(shù)律,例：某班有100個學生，確定學生成績分布曲線,,,速率分布函數(shù)：按統(tǒng)計假設分子速率通過碰撞不斷改變，不好說正處于哪個速率的分子數(shù)多少，但用某一速率區(qū)間內分子數(shù)占總分子數(shù)的比例為多少的概念比較合適，這就是分子按速率的分布。,設總分子數(shù)N，速率區(qū)間 v v+dv，該速率區(qū)間內分子數(shù) dN,則,速率分布函

9、數(shù),速率 v 附近單位速率區(qū)間內 分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比。,單個分子速率不可預知，大量分子的速率分布是遵循統(tǒng) 計規(guī)律，是確定的，這個規(guī)律也叫麥克斯韋速率分布律。,設總分子數(shù)N，速率區(qū)間 v v+dv，該速率區(qū)間內分子數(shù) dN,速率 v 附近單位速率區(qū)間內 分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比。,v--v+dv內分子數(shù)占總分子數(shù) 的百分比。,v1--v2內分子數(shù)占總分子數(shù) 的百分比。,麥克斯韋速率分布函數(shù),（1）、最概然速率 vp,（1）、最概然速率 vp,T高,T低,m大,m小,（2）、,,,溫度越高，速率大的分子數(shù)越多,二、 三個統(tǒng)計速率,（1）、最概然速率 vp,,,（3）、方均根速率,,（4）、一

10、個統(tǒng)計規(guī)律,,例：下列各式的物理意義,v - v+dv區(qū)間內粒子數(shù)幾率,,v附近單位速率區(qū)間內粒子數(shù)幾率,v - v+dv區(qū)間內粒子數(shù),粒子平均速率,例：計算速率在,之間的分子數(shù)占總分子數(shù)的比例,,,,例：試由麥克思韋速率分布求最概然能量，并與,比較,,例：求(1)速度大小在0與vp之間的氣體分 子的平均速率;(2)速度大小比vp大的氣體分子 的平均速率。,提示：,解：(1),(2)同理,例：設N個粒子的系統(tǒng)的速率分布函數(shù)為：,(1)畫出分布函數(shù)圖； (2)用N和u定出常量k； (3)用u表示出算術平均速率和方均根速率。,解：(1)分布函數(shù)如圖,例：導體中共有N個自由電子。電子氣 中電子的最大

11、速率vF叫費米速率。電子的速 率在 vv+dv 的概率為:,式中A為常量。(1)由歸一化條件求A；(2)證 明電子氣中電子的平均動能,此處EF 叫做費米能。,由歸一化條件：,求得歸一化系數(shù),平均平動動能為：,17.8 麥克斯韋速率分布律的實驗驗證,小孔充分小，改變，測D上的沉積厚度，就可測氣體速率分布,斯特恩實驗,,,只有滿足此條件的分子才能同時通過兩縫。通過改變 可獲得不同速率區(qū)間的分子。,速率區(qū)間 百分數(shù),分 子 實 速 驗 率 數(shù) 分 據 布 的,(m/s),1859年麥克 斯韋從理論上 得到速率分布 定律。 1920年斯特 恩從實驗上證 實了速率分布 定律。,麥克斯韋速度分布函數(shù)*,

12、設總分子數(shù)N，速度分量區(qū)間 vx vx+dvx ， 該速度分量區(qū)間內分子數(shù) dNvx,速度分量分布函數(shù),同理對 y、z 分量,歸一化條件,速度在區(qū)間 vx vx+dvx ， vy vy+dvy ， vz vz+dvz,,vx,vx+dvx,,速度空間,,平均速度,同理對 y、z 分量，故平均速度為零。,,,*17.9 玻耳茲曼分布律,假如氣體分子有勢能 Ep = Ep( x，y，z )， E = Ep+ Ek,將麥克斯韋速度分布推廣至保守場中，即：,（2）vx vx+dvx ， vy vy+dvy ， vz vz+dvz,vx vx+dvx ，vy vy+dvy ， vz vz+dvz ，

13、位置在區(qū)間 x x+dx，y y+dy，z z+dz,,,位于vx vx+dvx ，vy vy+dvy ， vz vz+dvz ， 位置在區(qū)間 x x+dx，y y+dy，z z+dz的分子數(shù)為,位于體積元dxdydz的分子數(shù)為,位于體積元dxdydz的分子數(shù)密度為,,位于體積元dxdydz的分子數(shù)密度為,這是高度計的原理,,,,根據壓強變化測高度，實際溫度也隨高度變化， 測大氣溫度有一定的范圍，是近似測量。,,,微觀狀態(tài)：一氣體分子處于速度區(qū)間 vx vx+dvx ， vy vy+dvy ，vz vz+dvz ，位置區(qū)間 x x+dx，y y+dy，z z+dz，稱該分子處于一種微觀狀態(tài)，

14、dvx dvy dvz dxdydz 所限定的區(qū)域稱為狀態(tài)區(qū)間。,玻耳茲曼統(tǒng)計：溫度T 的平衡狀態(tài)下，任何系統(tǒng)的微觀粒子按狀態(tài)的分布，即在某一狀態(tài)區(qū)間的粒子數(shù)與該狀態(tài)區(qū)間的一個粒子的能量 E有關，而且與 e -E /kT 成正比。,玻耳茲曼因子,其它情形，如原子 處于不同能級的 原子數(shù)目,一定質量的處于平衡態(tài)的某種理想氣體。 把所有分子按速度分為若干組，在每一組內的分子速度大小, 方向都差不多。,17.10 理想氣體的壓強和溫度的微觀解釋,一次碰撞單分子動量變化,2m vix,在 dt 時間內與dA碰撞的分子數(shù),ni vix dt dA,,設 dA 法向為 x 軸,一、 理想氣體的壓

15、強,dt 時間內傳給 dA 的沖量為,dI = 2 mnivix2 dt dA,vix0,P=,這里的壓強只是統(tǒng)計概念,為分子平均平動動能,,,平均平動動能只與溫度有關,理想氣體溫標或熱力學溫標,溫度是氣體分子平動動能的量度，溫度是統(tǒng)計概念， 只能用于大量分子，溫度標志物體內部分子無規(guī)運動的劇烈程度。,二、 溫度的微觀意義,,說明絕對零度下分子的平動動能為零，但是存在振動零點能。,,一、分子力,s,s,d,分子力的有效作用距離,平衡距離,分子的有效直徑,*17.11 范德瓦爾斯方程,理想氣體的缺陷：忽略了分子本身的體積； 忽略了分子間的引力。,1. 體積修正,對理想氣體的狀態(tài)方程

16、進行修正：,狀態(tài)方程中的體積應理解為分子所能到 達空間的體積。,1mol 氣體分子所不能到達的空間體積為：,=,4倍分子本身體積之和,一對分子所不能 到達的空間體積為：,二、 范德瓦爾斯方程,由于靠近器壁分子作用球的不對稱而產生向內的引力，形成內壓強，使器壁所受的壓強減弱。,由,內壓強,修正后的壓強為：,令,n分子數(shù)密度,氣體所占容器體積,,由,可得臨界點,之值。,式中a 、b兩個修正系數(shù)由實驗測得。,對于 mol 氣體的范德瓦爾斯方程為：,1mol 氣體的范德瓦爾斯方程為：,對氮氣，常溫和壓強低于 5107 Pa范圍,,范德瓦爾斯等溫線和真實氣體等溫線的比較,過飽和蒸汽,過熱液體,不可能實現(xiàn)

17、 的過程,在臨界溫度以上和 真實氣體的等溫線 符合較好。,火車：被限制在一曲線上運動，自由度為1；,飛機：自由度為3 （經度、緯度、高度）,輪船：被限制在一曲面上 運動，自由度為2， （經度、緯度）,,,,一、 自由度,17.12 能量按自由度均分原理,確定物體在空間的位置時，需要引入的獨立坐標數(shù),自由度數(shù)：,一維 1個,1. 質點,二維 2個,三維 3個,2. 剛體的自由度,G： x, y, z,繞GP轉角：,GP: ,約束條件：,獨立坐標數(shù) 6個,剛體自由度數(shù)6,平動自由度 3個 轉動自由度 3個,,3,5,6,0,2,3,3,3,3,,3. 剛性分子的自由度 i,能量按自由度均分

18、原理：處于平衡態(tài)的氣體,分子每一自由度所占有的能量都為,二、 能量按自由度均分原理,,分子熱運動的平均總動能,17.13 理想氣體的內能,理想氣體內能：系統(tǒng)中所有分子熱運動動能 之總和。（不包括分子間相互作用的能量）,單原子分子,雙原子分子,多原子分子,,,討論： 1. 內能 是氣體狀態(tài)的單值函數(shù)理想氣體：,E = E ( T ),2. 在實際上當,量子力學可以證明，當T=0時仍有零點能存在。,單原子分子 如氦,雙原子分子 如氧氣,多原子分子 如二氧化碳,,,例： 1mol氫氣，在溫度為270C時，它 的分子平動動能和轉動動能各為多少？,解：平動動能,轉動動能,例：已知某氣體質量、溫度、體積分

19、別為M、T、V 容器一速度v勻速直線運動，若容器突然停止，定向 運動動能全部轉化為分子熱運動動能，平衡后，T、P 各增加多少？已知氣體摩爾質量為,解：,,,例：已知某容器儲存有氧氣， 求(1)、n；(2)、分子質量m；(3)、比重； (4)、分子間平均距離；(5)分子平均平動動能。,解：,(1)、,(3)、,(2)、,(4)、,(5)、,,17.14 氣體分子的平均自由程和碰撞頻率,氣體分子 自由程,線度 10-8m,,一、 氣體分子的平均自由程,運動方向上，以 d 為半徑的圓柱體內的分子都將與分子A 碰撞,該圓柱體的面積 就叫 碰撞截面 = d2,二、 氣體分子的平均碰撞頻率,,設單位體積

20、內的分子數(shù)為 n, dt時間內體積為 的分子將與A分子相碰，碰撞次數(shù)為,統(tǒng)計理論可計算,,對空氣分子 d 3.5 10 -10 m,氣體容器線度小于平均自由程計算值時，實際平均自由程就是容器線度的大小。,如氫氣分子在標準狀態(tài)下,,,三、 輸運過程*,最簡單的非平衡態(tài)問題：不受外界干擾時，系統(tǒng)自發(fā)地從非平衡態(tài)向物理性質均勻的平衡態(tài)過渡過程 --- 輸運過程。,系統(tǒng)各部分的物理性質，如流速、溫度或密度不均勻時， 系統(tǒng)處于非平衡態(tài)。,非平衡態(tài)問題是至今沒有完全解決的問題， 理論只能處理一部分，另一部分問題還在研究中。,介紹三種輸運過程的基本規(guī)律：,內摩擦,熱傳導,擴散,內摩擦,現(xiàn)象：A盤自由，B盤由

21、電機帶動而 轉動，慢慢A盤也跟著轉動起來。,解釋：B盤轉動因摩擦作用力帶動了 周圍的空氣層，這層又帶動鄰近層， 直到帶動A盤。,這種相鄰的流體之間因速度不同，引起的 相互作用力稱為內摩擦力，或粘滯力。,流速不均勻，沿 z 變化（或有梯度）,不同流層之間有粘滯力,設，dS 的上層面上流體對下層面上流體的粘滯力為 df，反作用為 df ，這一對力滿足牛頓第三定律。,實驗測得, 稱為粘滯系數(shù),20 oC 時，水為 1.005 10-3 Pa s 空氣為 1.71 10-7 Pa s,流速大的流層帶動流速小的流層，流速小的流層后拖流速大的流層。,用分子運動論應該可以從微觀推導出上面公式。,,微觀上，這

22、種粘滯力是動量傳遞的結果,下層 平均自由程 l 的區(qū)域，單位時間通過 dS 面積，向上層輸運動量的平均 x 分量,上層 平均自由程 l 的區(qū)域，單位時間通過dS 面積，向下層輸運動量的平均 x 分量,比較實驗定律,結果支持了分子運動論,熱傳導,溫度不均勻就有熱傳導,設，沿 z 方向有溫度梯度，實驗指出， dt 時間內，通過 dS傳遞的熱量為：,負號表示熱從溫度高處向溫度低處傳遞， 為導熱系數(shù),微觀推導與粘滯力情況相似，只是動量換成平均動能,,,=m cv,定容比熱,,討論類似,擴散,密度不均勻就有擴散,設，沿 z 方向有密度梯度，實驗指出，dt 時間內，通過 dS傳遞的質量為：,負號表示質量從密度高處向密度低處傳遞， D 為擴散系數(shù),微觀推導與粘滯力情況相似，只是密度不同,,討論類似,