第二章 气体动理论

第二章  气体动理论 一、基本要求 1、确切理解平衡态概念，掌握理想气体状态方程； 2、掌握理想气体压强公式和分子的平均平动动能与温度的关系，确切理解压强和温度的微观实质； 3、确切理解分子平均动能按自由度均分的统计规律，掌握理想气体内能的特点及其计算； 4、确切理解速率分布函数概念，掌握运用麦克斯韦带率分布律，计算与速率有关的量的平均值方法； 5、理解平均碰撞频率和平均自由程概念； 6、理解三种输运过程的宏观规律和微观解释； 7、理解范德瓦耳斯方程。 二、基本概念和规律 气体理论的研究方法：从物质结构和分子运动论出发，运用力学规律和统计平均方法，解释与揭示气体宏观现象和宏观规律的本质，并确定宏观量与微观量之间的关系。 1、理想气体的状态方程 平衡态：在不受外界影响的条件下，热力学系统的宏观性质不随时间变化的状态称为平衡态。 热力学系统处于平衡态必须满足两个条件：一是不受外界影响；二是宏观性质不随时间变化，例如将金属杆两端分别与温度恒定的沸水和冰接触，虽然杆上各点的温度不随时间变化，但它将从沸水吸收热量，并向冰放出热量，与外界发生能量交换，所以它所处的状态不是平衡态，而是定态。 理想气体的状态方程为： 它的适用条件：一是理想气体；二是平衡态。 理想气体的微观模型，分子无大小；分子之间以及分子与容器壁之间除碰撞的瞬间外都无相互作用；分子之间以及分子与容器之间的碰撞为弹性碰撞。 2、理想气体的压强公式为： 压强是一个统计平均量，公式表明压强与统计平均值单位体积内的分子数n和分子的平均平动动能 之间的关系。压强的微观实质是大量气体分子在单位时间内施于器壁单位面积上的平均冲量。 3、温度T与分子的平均平动功能 的关系为 温度是一个统计平均量，温度的微观实质是气体内大量分子的平均平动动能的量度，亦即标志着气体内分子无规则运动的剧烈程度。 4、理想气体的内能 1）分子平均动能按自由度均分的统计规律——能量均分定理。在温度为T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，其大小都等于 ，这就是能量按自由度均分定理，简称能均分定理。 能均分定理是关于大量分子无规则运动动能的统计规律，是对大量分子统计平均所得的结果，它是通过分子的规则运动和分子间的碰撞来实现的。能均分定理适用于处于平衡态下的任何物质分子，即气体、液体和固体分子。 如果气体处于温度为T的平衡态下，气体分子有t个平动自由度，r个转动自由度，S个振动自由度，则根据能均分定理，分子的平均动能为 分子的平均能量为 对于刚性分子，由于S=0，所以分子的平均能量就是分子的平均动能，即 （i=t+r） 理想气体内能 热力学系统的内能：热力学系统内部所有分子的无规则热运动动能和分子内原子间振动势能及分子间相互作用势能的总和称为热力学系统的内能。 理想气体的内能；由于理想气体分子间无相互作用，所以理想气体的内能是所有分子的无规则热运动动能和分子内原子间振动势能的总和。因此，质量为M摩尔质量为u的理想气体的内能为 对于由刚性分子组成的理想气体，由于S=0，所以 热力学系统的内能是温度和体积的单值函数，而理想气体的内能只是温度的单值函数，内能是状态量。 5、麦克斯韦速率分布律 在平衡态下，令N表示一定量气体的总分子数，dN表示速率分布在V-V+dV速率区间的分子数，则速率分布函数f (V)的定义为 或    即f (v)的物理意义是平衡态下，速率V附近单位速率区间内的分子数占总分子的百分比。 在温度为T平衡态下，气体分子速率分布在V-V+dV速率区间的分子数占分子数的百分比为 上式称为麦克斯韦速率分布律，其麦克斯韦速率分布函数为 麦克斯韦速率分布是气体分子速率分布的统计规律，它适用于理想气体在无外力场作用的平衡态。 麦克斯韦速率分布函数f (v)满足归一化条件，即 其物理意义是：气体分子速率在 速率区间的分子数占总分子数的百分比为1，即百分之百。 最可几速率：与f (v)极大值对应的速率称为最可几速率，即 其物理意义是：在一定温度下，若将整个速率范围分式许多相等的小区间，则气体分子中速率在Vp附近的分子数占总分子数的百分比最大。但绝不能说速率为Vp的分子数占总分子的百分比最大。 从麦克斯韦速率分布律可得 分子的平均速率： 分子的方均根速率： 速率在V1－V2速率区间的分子数占总分子数的百分比 速率在V－V＋△V(△V很小)速率区向的分子数占总分子的百分比 f (v) △V 从麦克斯韦速率分布函数与速率分布曲线的对应关系，从几何意义，物理意义等方面确切理解速率分布曲线。 6、气体分子碰撞的统计规律 平均碰撞频率：每个分子在单位时间内与其它分子碰撞的平均次数称为平均碰撞频率 平均自由程；分子在连续两次之间所通过的自由程的平均值称为平均自由程 和 的大小反映分子间碰撞的频率程度 7、气体的输运过程 气体的输运过程包括气体的扩散、热传导和内摩擦等三种现象，它们都是由典型的非平衡态趋向平衡态的变化过程，它具有共同的宏观规律和微观本质，它们都是由分子的热运动和分子间的碰撞这两个因素所决定。 1）扩散现象的宏观规律为 扩散系数D为 2）热传导现象的宏观规律为 导热系数K为 3）内摩擦现象的宏观规律为 或 dk为被迁移的动量，内摩擦系数η为 8、范德瓦尔斯方程 一摩尔气体的范德瓦尔斯方程为 质量为M摩尔质量为M的气体的范德瓦尔斯方程为 式中a、b称为范德瓦尔斯修正量。 范德瓦尔斯对理想气体状态方程的修正，从两方面入手：一是考虑分子有大小；二是考虑分子间有引力。从而得到范德瓦尔斯方程。 三、解题方法 本章解题没有特别的技巧，一般硬套公式或解释有关量，公式的物理意义。为此，应明确本章的研究对象和研究方法，对大量气体分子的无规则运动应有清晰的微观图象。确切理解基本概念，统计规律，熟练地掌握各公式：包括它们的得来，物理意义，适用条件及其它们之间的相互联系。 四、解题示例 例1，一端封闭的玻璃管长l =70cm，内贮空气，气柱上面有一段高h =20cm的水银柱将空气封住，水银面与管口齐（如图所示），今将玻璃管轻轻倒转，因而将一部分水银倒出。如果大气压为H=75cmHg柱高时间留在管内的水银柱是多高？ 解：选取玻璃管内的气体为研究对象，视为理想气体。将玻璃管轻轻倒转过程中，可认为管内气体的温度保持不变，设玻璃管的横截面积为SC。 管口向上时，管内气体初状态的压强为H1 = (H+h)cmHg柱高，体积为V1= (l-h) S cm3。 管口向下时，管内气体初状态的压强为H2 = (H-x)cmHg柱高，体积为V2= (l-x) S cm3。 根据玻璃定律得 (H+h)(l-h)S=(H-x)(l-x)S 解得 根据物理意义，根号前的“+”号应舍去，否则留在管内的水银柱的高度超过玻璃管的长度l，这显然是不可能的，故 代入数据计算得 x = 3.5cmHg柱高 小结：理想气体状态方程不仅在气体动理论，而且还在热力学中经常用到，必须掌握，应用理想气体状态方程解题的步骤是： 1）根据问题的要求和计算方便，确定研究对象； 2）描写研究对象所处的平衡态，即确定P、V、T的值，并根据过程特征，列出方程； 3）求解方程，注意统一单位。 例2，试说明下列各式的物理意义： (1) ；    (2) ；    (3) ；    (4) 解：(1) 表示在温度为T的平衡态下，物质分子的每一个自由度都具有相同的平均动能，其大小都等于 ； (2) 表示在温度为T的平衡态下，气体分子的平均平动动能； (3) 表示在温度为T的平衡态下，分子自由度为i的一摩理想气体的内能； (4) 表示在温度为T的平衡态下，分子的自由度为i，质量为M，摩尔质量为u的理想气体的内能。 说明：1）将(2)间中的 的物理意义表述为：在温度为T的平衡态下，单原子分子的平均动能亦正确。但不如在上面(2)间中表述的全面。 2）必须掌握理想气体内能的特点及其计算。对于单原子分子理想气体 ；对于双原子分子（刚性）理想气体 ；对三原子或三原子以上的分子（刚性）理想气体 ，今后如不特别声明，均视多原子理想分子为刚性分子。 例3，一个贮有氮气的容器以速率V0=200m·S-1运动，若该容器突然停止。试求容器中的氮气的温度和速率的平方平均值的变化（设容器绝热）。 解：设氮气的质量为M，摩尔质量为u。视氮气分子为刚性。氮气随容器突然停止后，通过氮气分子与器壁及氮气分子之间的不断碰撞，把全部氮气分子定向运动的动能 （机械能）转移成氮气分子无规则运动的热能，即氮气的内能，在达到平衡时，平均说来，这些能量也按自由度均分。因此有 ① 由此得 即氮气的温度升高27K。 设 和 分别表示容器停止前、后氮气分子热运动速率的平方平均值，m为氮分子的质量，由分子的平均平动动能与温度的关系得 ② 由①、②两求联立求解，并将u=N0m，R=N0K代入，整理后得 上式表明：双原子分子（刚性）速率平方的平均值的增量等于该容器定向运动速率平方的 。即表示走向运动动能的 转换为分子的平均平动动能，其余 则转换为分子转动的平均功能。 例4，试说明下列各式的物理意义： (1) ；    (2) ；    (3) ； (4) ；        (6) ； 解：下面各式的物理意义分别是：在平衡态下 (1) 表示速率在V－V+dV速率区间内的分子数占总分子数的百分比； (2) 表示速率在V－V+△V速率区间内的分子数占总分子数的百分比； (3) 表示速率在V1－V2速率区间内的分子数占总分子数的百分比； (4) 表示速率在V1－V2速率区间内的分子数； (5) 表示速率在 速率区间内的分子数占总分子总的百分比，即百分之百。 说明：欲正确解答本题必须要确切理解速率分布函数f (v)的定义式及定义式中的各量的含义。另外，也应将上面各式与速率分布曲线联系起来进行理解，使我们能更好地“看懂”速率分布曲线。 例5、有N个同种气体分子（N非常大），它们的速率分布如图所示。(1)说明曲线和横坐标所包围面积的含义；(2) 由N和V0求a值；(3) 求速率0.5V0到1.5V0间隔内的分子数；(4)求分子的平均速率。 解：(1) 曲线和横坐标所包围的面积表示速率在 速率区间内的子数占总子数的百分比，即百分之比。 (2) 显然本题中的气体分子速率分布为非麦克斯韦速率分布，为使下面计算能进行下去，必须求出速率分布函数f (v)的数学表达式。由图可知 0≤V≤V0 V0≤V≤2V0 2V0 < V 由归一化条件得 解得 (3) 速率从0.5V0到1.5V0间隔内的分子数为 = = (4) 根据平均速率的定义得 ∴ = 即分子的平均速率为 通过求解本题说明只有在掌握有关定义，概念的基础上才能正确求解，切记不能硬套公式。