次课--物态方程微观模型统计规律

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1、第十二章气体动理论/131宏观物体都是由大量不停息地运动着的、彼此有相互作用的分子或原子组成.§12.1平衡态理想气体物态方程热力学第零定律/16布朗运动的观察就说明液体中分子的运动是无规则的.对于由大量分子组成的热力学系统从微观上加以研究时,必须用统计的方法.阿伏伽德罗常数：1mol任何物质所含的分子(或原子)的数目均相同.这个数目称为阿伽德罗常数,其大小为热运动：大量分子所作的永不停止的无规则运动.2§12.1平衡态理想气体物态方程热力学第零定律/16如IBM的科学家们利用原子力显微镜将35个Xe原子排列成IBM的字母图案.现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大

2、小以及它们在物体中的排列情况,例如X光分析仪,电子显微镜,扫描隧道显微镜等.还可以操纵单个原子.3§12.1平衡态理想气体物态方程热力学第零定律/164一、气体的物态参量§12.1平衡态理想气体物态方程热力学第零定律在一定条件下,为描述气体的整体特性需要采用一组特定的物理量,如体积、温度、压强、浓度等.对于一定质量的气体,它的状态一般可用体积、温度、压强三个参量来表示,这三个物理量叫做气体的物态参量.1.气体的体积V体积、温度、压强是宏观物理量.反映的是气体作为整体的性质.气体由大量分子或原子组成,如何描述气体的性质及其变化规律?气体所占的体积是指气体分子活动所能达到

3、的空间范围.气体体积的单位:国际单位制中为立方米,符号为m3;1立方米=103立方分米=106立方厘米=109立方毫米另一个常用单位是升,符号为L:1L=1dm3=10-3m3即1m3=103dm3=106cm3=109mm3注意:若忽略分子本身的大小时,储存气体的容器的容积即为气体的体积./165§12.1平衡态理想气体物态方程热力学第零定律2.气体的压强p气体的压强是气体分子对器壁碰撞的宏观表现.根据压强公式p=F/S,有1Pa=1N/m2;气体压强的单位:国际单位制中,压强的单位是帕斯卡.符号为Pa另一个常用单位是标准大气压,符号为atm:1atm=1.0132

4、5105Pa.从宏观上讲,温度表示物体的冷热程度；3.气体的温度T从微观上讲,温度反映物质内部分子(或原子)运动的剧烈程度.温度的单位与温度的数值表示方法有关.温度的数值标定方法叫温标.国际单位制中,温度采用热力学温标T;单位名称是开尔文,符号为K(大写);另一个常用单位是摄氏温标t;单位名称是摄氏度,符号为0C.两种温标的关系:T=273.15+t;或t=T–273.15/16气体压强是气体作用在容器壁单位面积上的指向器壁的平均正压力.6§12.1平衡态理想气体物态方程热力学第零定律二、平衡态一定质量的气体,其物态(体积、压强、温度等)不随时间变化的状态叫平衡态.

5、处于平衡态的气体状态可以用一组物态参量p、V、T表示.三、理想气体物态方程对于一定质量的气体,当p,V,T中任一参量发生变化时,将引起其它参量的变化.p,V,T的变化遵守什么样的规律?(1)(1)式称为气体的状态方程.也可以用状态图上的一点来表示,如右图所示.Vp0A(p1,V1,T1)B(p2,V2,T2)对于实际气体,其状态方程一般是很复杂的.本节只讨论一种理想模型------理想气体的物态方程.什么样的气体可以被看成是理想气体?/167§12.1平衡态理想气体物态方程热力学第零定律1.理想气体的微观模型(2)(i)分子可视为质点:分子大小为d~10-10m;而分

6、子间的距离为d~10-9m.满足下列条件的气体被称为理想气体.(ii)除碰撞瞬间外,分子间无相互作用力；(iv)单个分子的运动遵从经典力学的规律.(iii)分子间的碰撞可视为完全弹性碰撞；总之,气体被看作是自由地、无规则运动着的弹性球分子的集合.2.理想气体的物态方程根据玻意耳定律、盖吕萨克定律等实验定律和阿伏伽德罗定律,可以得到理想气体的物态方程为式中N是体积V中的气体分子数;k称为玻耳兹曼常数,其值为k=1.3810-23J·K-1(焦耳·开-1)/168§12.1平衡态理想气体物态方程热力学第零定律3.理想气体物态方程的其它形式(i)用摩尔数表示气体分子数量的

7、物态方程因为一摩尔任意气体中的分子数为NA=6.021023mol-1,式中R=NA·k称为摩尔气体常数.其值为R=8.31J·mol-1·K-1.(3)所以N个气体分子的摩尔数为:=N/NA,即N=NA.因此,物态方程(2)式可以写成(ii)用质量表示气体分子数量的物态方程(4)设每个气体分子的质量为m,气体的总质量为m´=Nm;式中M=mNA是一摩尔气体分子的质量.即通常所称的分子量./169§12.1平衡态理想气体物态方程热力学第零定律(iii)用气体分子数密度表示的物态方程(5)两个具有不同温度的物体相接触时,热量将从温度高的物体传递