张达宋《大学物理教程（第三版）》第十章 气体动理论

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1、第三篇气体动理论和热力学基础物质的运动形式是多种多样的，自然科学的不同学科以不同的物质运动形式作为其研究对象．统计物理学和热力学的研究对象是一种比较复杂的物质运动形式，即物质分子的热运动．什么叫做热运动？自然界的物质都是由大量分子组成的，而这些分子又永远不停地作不规则的运动，这种不规则的运动称为热运动．物质中大量分子的热运动的宏观表现称为热现象，例如热传导、扩散、液化、凝固、熔解、汽化等都是热现象，都是分子热运动的宏观表现．有关这类现象的研究属于热学范畴，所以统计物理学和热力学属于热学范畴．统计物理学和热力学的研究对象相同，都是热现象，但研究方法不相同，热力学的

2、研究方法留在下一章热力学基础中介绍，第十章气体动理论里将简要说明统计物理学的研究方法．自然界的物质由大量分子组成，每一个分子都有它自己的质量、速度和能量，这些属于个别分子的物理量称为微观量．用实验方法来测定微观量是很困难的，一般是不可能的．通常实验所观察到的物理量如温度、压强等都不是属于个别分子的量，而是表征大量分子的集体特性的量，这些物理量称为宏观量．统计物理学的任务是从物质是由大量分子组成以及分子作热运动这一观点出发来研究热现象的本质的，它所用的方法是统计方法．这种方法是对个别分子的运动运用力学规律，然后对大量分子求它们的微观量的统计平均值，建立微现量的统计

3、平均值与宏观量之间的关系，因而它能够从物质的微观结构出发来说明物质的宏观现象的本质．在§10－4推导压强公式的过程中将学习到这种求平均值的统计方法．第十章气体动理论§10－1热力学第零定律温度温标一、热平衡　热力学第零定律通常，温度的概念与人体感觉到的物体冷热程度相联系，较热的物体应有较高的温度．不过，我们的感官常常会产生错觉．例如，我们从冰箱的冷藏室中同时取出一盒牛奶和一个金属盘，虽然两者的温度相同，但是根据手上的感觉会认为金属盘更凉一些．这是由于金属比纸盒导热性能好，热量从手传输到金属盘比传输到纸盒快得多的原因．因此，要定量地给出物体的温度，首先应该有温度的

4、严格定义．图10－1如果用石棉板类的绝热材料将两个物体与其他所有物体隔开，并使这两个物体在不发生物质交换和力的相互作用的情况下能够传热．这可以由两物体的直接接触，或通过导热特性良好的金属壁间接接触，或借助热辐射来实现．物体间的这种接触称为热接触．实验表明，两个物体通过热接触，热的物体变冷，冷的物体变热，经过一段时间后，两物体的宏观性质不再随时间变化，即达到了一个共同的平衡状态，我们称这两个物体达到了热平衡．如果将两个物体A和B用绝热材料隔开，使之不发生热接触，并引入第三个物体C，让物体C通过导热材料同时与物体A和B实现热接触，如图10－1所示30．经过一段时间后

5、，C和A以及C和B将分别达到热平衡．这时，如果再使物体A和B发生热接触，则A和B的宏观性质都不会随时间变化，即表明A和B也达到了热平衡．由这样的实验可以得出结论：在无外界影响的条件下，如果两个物体各自都与第三个物体达到热平衡，则此二物体也必定处于热平衡．这一结论称为热力学第零定律，或热平衡定律．　　二、温度温标按照热力学第零定律，处于热平衡的物体具有一个共同的宏观性质，因此可以定义这个决定物体热平衡的宏观性质为温度，即两个处于热平衡的物体温度相同．这个定义也为温度的测量提供了理论基础．如果处于热接触的两个物体之一就是温度计，那么当达到热平衡时，二者的温度相同，于

6、是由温度计的温度可以给出待测物体的温度．而温度计的温度则是通过它的随温度改变而显著单调变化的某一物理性质来标志的．例如酒精温度计和水银温度计是利用液体体积的热胀冷缩作为测温属性，金属热电偶温度计则是利用温差电动势作为测温属性．温度的数值表示法称为温标．通常建立一种温标需要三要素：测温物质、测温属性和固定标准点．在日常生活与科技工作中普遍采用的摄氏温度用t表示，单位为摄氏度，符号为℃．摄氏温标规定，在标准大气压下，冰水混合物的平衡温度(冰点)为0℃，水沸腾的温度(汽点)为100℃，在0℃和100℃之间按温度计测温物质的测温属性随温度作线性变化来刻度．由于不同测温物

7、质的测温属性随温度的变化不可能都是一致的，因此这样建立的温标的三要素都与测温物质和测温属性的选择有关，故称为经验温标．所以，有必要找到一种不依赖于物质属性的温标作为统一标准的温标，我们将在下一节中进一步讨论这一问题．§10－2气体的状态参量理想气体状态方程平衡状态一、气体的状态参量在力学中，物体的运动状态是用物体的位置和速度来描述的，在热学中气体的状态则要用气体的体积V、压强p和温度t等物理量来描述，这几个物理量称为气体的状态参量．由于气体分子作热运动，盛在容器中的气体总是充满整个容器，所以气体的体积就是容器的容积．在国际单位制中，体积的单位是立方米．容器中的气

8、体分子不断与容器壁碰撞，