分子物理与热物理

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1、第五章气体分子运动论沈阳工业大学郭连权（教授）第二篇分子物理学和热力学有关概念：热运动：分子做不停的无规则运动热现象：物质中大量分子的热运动的宏观表现（如：热传导、扩散、液化、凝固、溶解、汽化等都是热现象）。分子物理学与热力学的研究对象：热现象微观量：描述单个分子运动的物理量。（如：分子质量、速度、能量等）宏观量：描述大量分子热运动集体特征的物理量。（如：气体体积、压力、温度等）统计方法:对个别分子运动用力学规律，然后对大量分子求微观两的统计平均值。分子物理学研究方法:建立宏观量与微观量统计平均值的关系从微观角度来说明宏观现象的

2、本质。分子物理学是一种微观理论。热力学研究方法:实验定律为基础,从能量观点出发,研究热现象的宏观规律。它是一种宏观理论。第五章气体分子运动论§5-1平衡态理想气体的状态方程一、状态参量用来描述气体状态的物理量称为状态参量。一般用气体体积，压强和温度来作为状态参量。注意：⑴是气体分子能到达的空间体积，单位：⑵是气体作用于器壁单位面积上的正压力，单位：帕斯卡（Pa）。有时也用下面单位：⑶温度是描述物体冷热程度的物理量。表示温度常用两种温标（温度的标尺）来表示，即第五章气体分子运动论沈阳工业大学郭连权（教授）温标与关系：二、平衡态平衡

3、过程系统与外界：研究的对象称为系统，系统所处的环境称为外界。1、平衡态在不受外界影响的条件下，气体的宏观性质不随时间改变的状态称为平衡态。这里的外界影响指与外界无能量交换。说明：平衡态是一种热动平衡。2、平衡过程当气体与外界交换能量时，它的状态就会发生变化，一个状态连续变化到另一个状态所经历的过程叫做状态的变化过程，如果过程中的每一中间状态都无限趋于平衡态，这个过程成为平衡过程。3、P—V图如图5-1，P—V图上一个点代表系统的一个平衡态，P—V图上一条曲线表示系统一平衡过程。注意：不是平衡态不能在P—V图上表示。三、理想气体状

4、态方程1．理想气体服从下面三个定律的气体2、理想气体状态方程用上述三条定律可证明，对一定质量的气体有（5-1）设、、是标准状态下、、值，第五章气体分子运动论沈阳工业大学郭连权（教授）（5-2）设为气体质量，则（、为摩尔质量和标准状态下摩尔体积）∴令（5-3）上式为理想气体状态方程数值及单位：§5-2理想气体的压强公式一、理想气体微观模型⑴分子大小不计（视为质点）⑵碰撞外分子间作用不计⑶分子间及分子与器壁间碰撞看作完全弹性碰撞二、统计假设⑴分子不存在特殊位置，在各位置出现可能性均等⑵分子沿各个方向运动的可能性是均等的三、压强公式推

5、导为方便，考虑边长为、、的长方体容器，设有个分子，分子质量为，如图5-2所取坐标，气体处于平衡态时，容器器壁上各处的压强相同，∴在此只计算一个面上的压强即可。以A面为例。第一步：分子在单位时间内对A面的冲量设第个分子速度为，分量式：第五章气体分子运动论沈阳工业大学郭连权（教授）（5-4）由动量定理知，分子与A面碰撞1次受冲量为(用了微观模型⑴、⑶)：（5-5）分子与A碰后又弹到B面（不计分子间碰撞），之后由B面又弹回A面，如此往复.单位时间内分子与A面碰撞次数为（5-6）单位时间内分子受冲量为（5-7）单位时间内A受分子冲量为（

6、5-8）由上可知，每一分子对器壁的碰撞以及作用在器壁上的冲量是间歇的不连续的。但是，实际上容器内分子数目极大，他们对器壁的碰撞就象密集雨点打到雨伞上一样，对器壁有一个均匀而连续的压强。第二步：单位时间内所有分子对A面的冲量（5-9）第三步：压强公式设单位时间内A面受平均冲力大小为，有（5-10）所求压强为（5-11）①式中：可知（5-12）可有（5-13）即（5-14）根据统计假设⑵，有（5-15）第五章气体分子运动论沈阳工业大学郭连权（教授）由（5-14）、（5-15）（称方均根速率）（5-16）（5-16）（5-11）得（5

7、-17）或（5-18）式（5-18）中，（5-19）为气体分子平均平动动能。式（5-17）、（5-18）即为所求结果。说明：⑴的微观本质或统计性质是：单位时间内所有分子对单位器壁面积的冲量。⑵由推导知，、、均是统计平均值，∴也是一个统计平均值。这些统计平均值是统计规律，而不是力学规律。⑶统计平均值、、、等是宏观量，表示气体分子集体特征，而不代表个别分子。（宏观量是相应微观量的统计平均值）⑷的表达式适合任何形状容器⑸推导中没考虑分子碰撞，若考虑结果也不变。§5-3气体分子的平均平动动能与温度的关系理想气体状态方程为：（为分子总数，

8、为分子数）令，叫做波尔兹曼常数。∴理想气体状态方程又可写：∵，∴与上式比较有：说明：⑴∵是统计平均量，∴也是统计平均量。分子数很大时，温度才有意义，对于个别分子来说，温度是无意义的。⑵为宏观量，是大量气体分子热运动的集体表现。⑶的微观本质：是分子平均平动动能的量