理想气体压强公式省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

热热 学学 Heat第1页物理学第二次大综合物理学第二次大综合 物理学第二次大综合是从热学开始，包括到物理学第二次大综合是从热学开始，包括到宏宏观与观与微微观两个层次观两个层次.宏观理论热力学两大基本定律宏观理论热力学两大基本定律:第一定律第一定律,即能量守恒即能量守恒定律定律;第二定律第二定律,即熵增加定律即熵增加定律.科学家深入追根问底科学家深入追根问底,企图从分子和原子微观层次上来说企图从分子和原子微观层次上来说明物理规律明物理规律,气体分子动理论应运而生气体分子动理论应运而生.玻尔兹曼玻尔兹曼与与吉布斯吉布斯发展了经典统计力学发展了经典统计力学.热力学与统计物理发展热力学与统计物理发展,加强了物理学与化学联络加强了物理学与化学联络,建建立了物理化学这一门交叉科学立了物理化学这一门交叉科学.第2页热学热学1什么是热学什么是热学宏观物体是由大量微观粒子宏观物体是由大量微观粒子分子、原子等组成分子、原子等组成微观粒子无规则运动，称为微观粒子无规则运动，称为热运动。热运动。热学是研究热运动规律及其对物质宏观性质影响，以及与热学是研究热运动规律及其对物质宏观性质影响，以及与其它运动形态之间转化物理学分支。其它运动形态之间转化物理学分支。2热学分类热学分类按照研究方法不一样，热学分为按照研究方法不一样，热学分为热力学热力学 宏观理论宏观理论统计物理学统计物理学微观理论微观理论观察和试验观察和试验力学规律力学规律,统计平均方法统计平均方法热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质热力学验证统计物理学，统计物理学揭示热力学本质第3页3.研究对象研究对象 热运动热运动:组成宏观物体大量微观粒子永不休止无规运动组成宏观物体大量微观粒子永不休止无规运动.热现象热现象:与温度相关物理性质改变。与温度相关物理性质改变。单个单个分子分子 无序、含有偶然性、遵照力学规律无序、含有偶然性、遵照力学规律.研究对象特征研究对象特征整体整体（大量分子）（大量分子）服从统计规律服从统计规律.宏宏观量：观量：表示大量分子集体特征物理量（可直接测量）表示大量分子集体特征物理量（可直接测量）,如如 等等.微微观量：观量：描述个别分子运动状态物理量（不可直接测量），描述个别分子运动状态物理量（不可直接测量），如分子如分子 等等.宏宏观量观量微微观量观量统计平均统计平均第4页4.研究方法研究方法1.热力学热力学 宏宏观观描述描述 试验经验总结，试验经验总结，给出宏观物体热现象规律，从能量观给出宏观物体热现象规律，从能量观点出发，分析研究物态改变过程中热功转换关系和条件点出发，分析研究物态改变过程中热功转换关系和条件.1）含有可靠性；含有可靠性；2）知其然而不知其所以然；知其然而不知其所以然；3）应用宏观参量应用宏观参量.特点特点2.气体动理论气体动理论 微微观描述观描述 研究大量数目标热运动粒子系统，应用模型假设和统计研究大量数目标热运动粒子系统，应用模型假设和统计方法方法.气体动理论气体动理论热热力学力学相辅相成相辅相成 1）揭示宏观现象本质；揭示宏观现象本质；2）有不足，与实际有偏差，不可任意推广有不足，与实际有偏差，不可任意推广.特点特点第5页第七章气体动理论第七章气体动理论一、一、分子热运动图像分子热运动图像1 宏观物体由大量粒子（分子、原子等）组成宏观物体由大量粒子（分子、原子等）组成2 物体分子在永不停息地作无序热运动物体分子在永不停息地作无序热运动(1)气体、液体、固体扩散气体、液体、固体扩散水和墨水混合水和墨水混合 相互压紧金属板相互压紧金属板比如：比如：(1)1cm3空气中包含有空气中包含有2.71019 个分子个分子(2)水和酒精混合，体积会减小水和酒精混合，体积会减小比如：比如：宏观物体由大量粒子组成，分子之间存在一定空隙宏观物体由大量粒子组成，分子之间存在一定空隙第第5章章 气体动理论气体动理论 5.1 气体动理论气体动理论基本概念基本概念第7页第七章气体动理论第七章气体动理论(2)布朗运动布朗运动（布朗运动与温度、微粒大小关系）（布朗运动与温度、微粒大小关系）第8页第七章气体动理论第七章气体动理论3 分子间存在相互作用力分子间存在相互作用力 一切宏观物体都是由大量分子组成，分子都在永不停息一切宏观物体都是由大量分子组成，分子都在永不停息地作无序热运动，分子之间有相互作用分子力。地作无序热运动，分子之间有相互作用分子力。r r0 表现为引力表现为引力气体分子间距较大气体分子间距较大,作作用力可忽略用力可忽略分子力分子力第9页第七章气体动理论第七章气体动理论二、二、统计规律特征统计规律特征伽耳顿板试验伽耳顿板试验 若无小钉：必定事件若无小钉：必定事件若有小钉：偶然事件若有小钉：偶然事件(1)统计规律是大量偶然事件总体所遵从规律。统计规律是大量偶然事件总体所遵从规律。(2)统计规律和涨落现象是分不开。统计规律和涨落现象是分不开。少许小球分布每次不一样少许小球分布每次不一样大量小球分布近似相同大量小球分布近似相同单个分子运动含有没有序性单个分子运动含有没有序性大量分子运动含有规律性大量分子运动含有规律性第10页第七章气体动理论第七章气体动理论u平衡态下气体分子速度分量平衡态下气体分子速度分量统计统计平均值平均值为为气体气体处处于平衡状于平衡状态时态时，气体分子沿各个方向运，气体分子沿各个方向运动动概率相概率相等，故有等，故有 第11页第七章气体动理论第七章气体动理论u平衡态下气体分子速度分量平方平衡态下气体分子速度分量平方统计统计平均值为平均值为 对某一气体个分子：对某一气体个分子：气体气体处处于平衡状于平衡状态时态时，气体分子沿各个方向运，气体分子沿各个方向运动动概率相等，故有概率相等，故有 第12页第七章气体动理论第七章气体动理论u气体分子热运动气体分子热运动平均平动动能平均平动动能 u物理量物理量M 统计平均值统计平均值 Ni 是是M 测量值为测量值为 Mi 次数，试验总次数为次数，试验总次数为N状态状态A出现概率出现概率 归一化条件归一化条件 ：一个一个分子质量分子质量第13页第七章气体动理论第七章气体动理论例：例：有有10个粒子，其速率分别是个粒子，其速率分别是1，3，5，7，8，9，10，11，13，15ms-1，计算它们平均速率和方均根速率。，计算它们平均速率和方均根速率。解：解：平均速率：平均速率：方均根速率：方均根速率：第14页第七章气体动理论第七章气体动理论三、状态参量三、状态参量 热力学系统（简称系统）热力学系统（简称系统）系统系统外界外界把用来描述系统宏观状态物理量称为把用来描述系统宏观状态物理量称为状态参量状态参量。气体宏观状态能够用气体宏观状态能够用V、P、T 描述描述在热力学中，把所要研究对象，即由大量微观粒子组成物体或在热力学中，把所要研究对象，即由大量微观粒子组成物体或物体系称为物体系称为热力学系统热力学系统。(如容器中气体分子集合或溶液中液如容器中气体分子集合或溶液中液体分子集合或固体中分子集合。体分子集合或固体中分子集合。)系统外界（简称外界）系统外界（简称外界）能够与所研究热力学系统发生相互作用其它物体，称为能够与所研究热力学系统发生相互作用其它物体，称为外界外界。第15页第七章气体动理论第七章气体动理论气体物态参量气体物态参量 1 气体压强气体压强 ：作用于容器壁上单位面积正压力（：作用于容器壁上单位面积正压力（力力学学描述）描述）.单位：单位：2 体积体积 :气体所能到达最大空间（气体所能到达最大空间（几何几何描述）描述）.单位：单位：标准大气压：标准大气压：3 温度温度 :气体冷热程度量度（气体冷热程度量度（热学热学描述）描述）.单位：单位：（开尔文）（开尔文）.第16页第七章气体动理论第七章气体动理论四、平衡态四、平衡态1、说明、说明（1）平衡态是一个理想状态；）平衡态是一个理想状态；（2）平衡态是一个动态平衡；）平衡态是一个动态平衡；（3）对于平衡态，能够用）对于平衡态，能够用pV 图上图上一个点来表示。一个点来表示。pV假如两个系统分别与处于确定状态第三个系统到达热平衡，假如两个系统分别与处于确定状态第三个系统到达热平衡，则这两个系统彼此也将处于热平衡。则这两个系统彼此也将处于热平衡。2、热力学第零定律或热平衡定律、热力学第零定律或热平衡定律决定系统热平衡宏观性质物理量能够定义为决定系统热平衡宏观性质物理量能够定义为温度温度。在在没有外界影响没有外界影响情况下，系统各部分情况下，系统各部分宏观性质在长时间内不宏观性质在长时间内不发生改变发生改变状态。状态。“冷热程度冷热程度”日常对温度了解日常对温度了解第17页第七章气体动理论第七章气体动理论五、理想气体状态方程五、理想气体状态方程在在p、V、T 三个状态参量之间一定存在某种关系，即其中一三个状态参量之间一定存在某种关系，即其中一个状态参量是其它两个状态参量函数，如个状态参量是其它两个状态参量函数，如 T=T(P,V)一定质量气体处于平衡态时一定质量气体处于平衡态时状态方程状态方程在温度不太低在温度不太低(与室温相比与室温相比)和压强不太大和压强不太大(与大气压相比与大气压相比)时，时，有三条试验定律有三条试验定律Boyle-Mariotte定律定律 等温过程中等温过程中 pV=const Gay-Lussac定律定律 等体过程中等体过程中 p/T=const Charles定律定律 等压过程中等压过程中 V/T=const 理想气体定义：理想气体定义：在任何情况下都恪守上述三个试验定律气体称在任何情况下都恪守上述三个试验定律气体称为为理想气体理想气体。第18页第七章气体动理论第七章气体动理论m气体质量气体质量M 气体摩尔质量气体摩尔质量R=8.31Jmol-1K-1摩尔气体常量摩尔气体常量混合气体理想气体状态方程混合气体理想气体状态方程理想气体状态方程理想气体状态方程第19页第七章气体动理论第七章气体动理论5.2 理想气体压强理想气体压强公式公式一、一、理想气体微观模型理想气体微观模型(1)忽略分子大小（看作质点）忽略分子大小（看作质点）(2)忽略分子间作用力忽略分子间作用力(3)碰撞为完全弹性碰撞为完全弹性（分子与分子或器壁碰撞时除外）（分子与分子或器壁碰撞时除外）理想气体理想气体:可看作是许多个自由地、无规则运动着弹性小可看作是许多个自由地、无规则运动着弹性小球集合。球集合。分子线度分子线度 分子间平均距离分子间平均距离(4)分子运动遵从经典力学规律分子运动遵从经典力学规律.第20页第七章气体动理论第七章气体动理论二、从分子运动看压强形成二、从分子运动看压强形成压强为大量分子在热运动中碰撞器壁，对器壁产生平均作用压强为大量分子在热运动中碰撞器壁，对器壁产生平均作用力表现。力表现。宏观量和微观量关系宏观量和微观量关系单个分子单个分子多个分子多个分子平均效果平均效果密集雨点对雨密集雨点对雨伞冲击力伞冲击力气体分子气体分子器器壁壁第21页第七章气体动理论第七章气体动理论分子施于器壁冲量分子施于器壁冲量单个分子单位时间施于器壁冲量单个分子单位时间施于器壁冲量 x方向动量改变方向动量改变两次碰撞间隔时间两次碰撞间隔时间单位时间碰撞次数单位时间碰撞次数 单个单个分子遵照力学规律分子遵照力学规律三、理想气体压强公式三、理想气体压强公式一定量理想气体一定量理想气体 总分子数总分子数 分子数密度分子数密度 一个分子质量一个分子质量 第22页第七章气体动理论第七章气体动理论 单位时间单位时间 N 个粒子对个粒子对器壁总冲量器壁总冲量 大量大量分子总效应分子总效应单个分子单位时间施于单个分子单位时间施于器壁冲量器壁冲量器壁器壁 所受平均冲力所受平均冲力 第23页第七章气体动理论第七章气体动理论气体压强气体压强统计规律统计规律分子平均平动动能分子平均平动动能器壁器壁 所受平均冲力所受平均冲力 第24页第七章气体动理论第七章气体动理论压强物理压强物理意义意义 统计关系式统计关系式宏观可测量量宏观可测量量微观量统计平均值微观量统计平均值分子平均平动动能分子平均平动动能(1)压强压强 p 是一个统计平均量。是大量分子集体行为，对大是一个统计平均量。是大量分子集体行为，对大量分子，压强才有意义。量分子，压强才有意义。(2)是一微观统计平均量，不能直接测量是一微观统计平均量，不能直接测量。压强公式无。压强公式无法用试验直接验证法用试验直接验证。第25页第七章气体动理论第七章气体动理论玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量分子数密度分子数密度 压强另外一个表示式压强另外一个表示式 NA：阿伏伽德罗常数：阿伏伽德罗常数在相同温度和压强下，各种气在相同温度和压强下，各种气体分子数密度相等。体分子数密度相等。N：总分子数：总分子数第26页第七章气体动理论第七章气体动理论5.3 温度微观本质温度微观本质一、理想气体温度与分子平均平动动能关系一、理想气体温度与分子平均平动动能关系每个分子平均平动动能只与温度相关，与气体种类无关。每个分子平均平动动能只与温度相关，与气体种类无关。说明说明(2)温度是统计概念，是大量分子热运动集体表现。温度是统计概念，是大量分子热运动集体表现。对于单个或少数分子来说，温度概念就失去了意义。对于单个或少数分子来说，温度概念就失去了意义。(1)温度是大量分子热运动平均平动动能度量温度是大量分子热运动平均平动动能度量,是物体内是物体内部分子部分子热运动猛烈程度热运动猛烈程度标志。标志。第27页第七章气体动理论第七章气体动理论T=273k时，氢气，氧气，氮气方均根速率分别为：时，氢气，氧气，氮气方均根速率分别为：氢气氢气氧气氧气氮气氮气第28页第七章气体动理论第七章气体动理论有一容积为有一容积为10cm3 电子管，当温度为电子管，当温度为300K时用真空泵抽时用真空泵抽成高真空，使管内压强为成高真空，使管内压强为510-6 mmHg。(1)此时管内气体分子数目；此时管内气体分子数目；(2)这些分子总平动动能。这些分子总平动动能。解解例例求求(1)由理想气体状态方程得由理想气体状态方程得(2)每个分子平均平动动能每个分子平均平动动能N 个分子总平动动能为个分子总平动动能为760 mmHg=1大气压大气压=1.013105Pa1 mmHg=133.3Pa 第29页第七章气体动理论第七章气体动理论一容积为一容积为 V=1.0m3 容器内装有容器内装有 N1=1.01024 个个 氧分子氧分子N2=3.01024 个氮分子混合气体，个氮分子混合气体，混合气体压强混合气体压强 p=2.58104 Pa 。(1)由压强公式由压强公式例例求求(1)分子平均平动动能；分子平均平动动能；(2)混合气体温度。混合气体温度。解解(2)由理想气体状态方程得由理想气体状态方程得第30页例例 一容器内贮有氧气，压强为一容器内贮有氧气，压强为p=1.013105Pa，温度，温度t=27，求（，求（1）单位体积内分子数；（）单位体积内分子数；（2）氧分子质量；）氧分子质量；（3）分子平均平动动能。）分子平均平动动能。解：（解：（1）有有 p=nkT（2）（3）第31页第七章气体动理论第七章气体动理论（A）温度相同、压强相同。温度相同、压强相同。（B）温度、压强都不一样。温度、压强都不一样。（C）温度相同，但氦气压强大于氮气压强温度相同，但氦气压强大于氮气压强.（D）温度相同，但氦气压强小于氮气压强温度相同，但氦气压强小于氮气压强.解解 一瓶氦气和一瓶氮气质量密度相同，分子平均平动动能相一瓶氦气和一瓶氮气质量密度相同，分子平均平动动能相同，而且它们都处于平衡状态，则它们同，而且它们都处于平衡状态，则它们讨讨 论论第32页第七章气体动理论第七章气体动理论 例例 理想气体体积为理想气体体积为 V，压强为，压强为 p，温度为，温度为 T,一个分一个分子子 质量为质量为 ，k 为玻尔兹曼常量，为玻尔兹曼常量，R 为摩尔气体常量，则该为摩尔气体常量，则该理想气体总分子数为：理想气体总分子数为：（A）（B）（C）（D）解解第33页