高中物理理想气体的压强温度与内能
高中物理竞赛第三阶段 第二讲 理想气体的内能(无答案)
1. 理想气体的压强，温度的微观解释2. 理想气体的内能3. 热力学第一定律知识点拨一．理想气体的微观模型先来作个估算：在标准状态下，1mol 气体体积1330104.22--⨯=moI m V ，分子数1231002.6-⨯=moI N A ，若分子直径m d 10100.2-⨯=，则分子间的平均间距m N V L A 93/101034.3)/(-⨯==，相邻分子间的平均间距与分子直径相比17/≈d L 。
由此可知：气体分子间的距离比较大，在处理某些问题时，可以把气体分子视为没有大小的质点；同时可以认为气体分子除了相互碰撞或者跟器壁碰撞之外，分子力也忽略不计，分子在空间自由移动，也没有分子势能。
因此理想气体是指分子间没有相互作用和分子可以看作质点的气体。
这一微观模型与气体愈稀薄愈接近于理想气体的宏观概念是一致的。
1．理想气体的压强宏观上测量的气体施给容器壁的压强，是大量气体分子对器壁不断碰撞的结果。
在通常情况下，气体每秒碰撞21cm 的器壁的分子数可达2310。
在数值上，气体的压强等于单位时间内大量分子施给单位面积器壁的平均冲量。
可以用动量定理推导，其表达式为K n P ε32=设气体分子都以平均速率运动，因沿上下、左右、前后各向运动的机会均等，所以各占总数的．若分子的数密度（即单位体积内气体的分子数）为，则单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数应为．每个分子每次与器壁碰撞时将施于器壁的冲量，所以压强，假设每个分子的速率相同．每个分子的平均平动动v 16n 1(1)6n v ×2mv 211(1)263p n v mv nmv ==××知识体系介绍第二讲 理想气体的内能能，所以．，式中n 是单位体积内分子个数，221υεm K=是分子的平均平动动能，n 和K ε增大，意味着单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，分子碰撞器壁一次给予器壁的平均冲量增大，因而气体的压强增加。
理想气体的内能、热容和焓
4
（2）由图可以看出：
PaVa = PcVc ∴Ta = Tc ⇒ ΔU = 0
P (atm )
a 3
2
b
1
c
o 1 2 3 V(10−3m3)
（3）由热力学第一定律得：
Q = ΔU + A = 405.2J
5
二、理想气体的热容
1. 热容、比热容、摩尔热容
设系统温度升高 dT ，所吸收的热量为dQ
在等压过程中，dp=0,故 pdVm = RdT 将其代入 Cp,mdT = CV ,mdT + pdVm 得：
Cp,mdT = CV ,mdT + RdT 等式两边约去dT得:
迈耶公式 C p,m = Cv,m + R
表明：理想气体定压摩尔热容等于定体摩尔热容与普适
气体常量R之和。
C p,m > CV ,m
质量之比。
c
=
C m
=
1 m
⎛ ⎜⎝
dQ dT
⎞ ⎟⎠
M：摩尔质量
摩尔热容Cm：物质的量为v的该物质的热容C与v之比。
Cm
=
C
ν
=1
ν
⎛ ⎜⎝
dQ dT
⎞ ⎟⎠
=
cm
ν
=
Mc
或： c = Cm
M
单位： J·mol-1·K-1
（1）定体摩尔热容CV, m：
CV ,m
=1
ν
⎛ ⎜⎝
dQ dT
⎞ ⎟⎠V
（2）定压摩尔热容Cp, m：
热容：
C = lim ΔQ = dQ ΔT →0 ΔT dT
单位：J/K
(1)定体热容：
CV
理想气体的压强及温度的微观解释
理想气体的压强及温度的微观解释在普通物理热学的教学中，对理想气体的压强、温度的学习和讨论时，学生对压强、温度的微观实质理解困难，特别是对宏观规律的微观解释与分析问题。
文章从理想气体分子模型的建立和统计假设的提出，对压强、温度的实质进行讨论，从而使学生得到正确理解，并学会用微观理论解释和研究宏观现象和规律的分析方法。
标签：理想气体；微观模型；压强；温度；微观本质在物理的学习和研究中，经常会讨论和分析一些物理现象和规律，很多物理现象和规律，是可以通过实验观察和验证的宏观规律，而表征分子、原子运动性质的微观量，很难用观察或实验直接测定。
宏观量与微观量之间必然存在着联系，要更深入地认识和研究宏观规律，必须对宏观规律的微观本质进行分析。
通过对理想气体的几个宏观规律与微观实质的关系对比和分析，帮助我们认识和理解气体动理论的有关规律，并掌握这一研究方法。
1 理想气体模型及状态方程1.1 理想气体模型。
所谓理想气体是指重力不计，密度很小，在任何温度、任何压强下都严格遵守气体实验定律的稀薄气体。
理想气体是一种理想化的物理模型，是对实际气体的科学抽象。
理想气体的微观特征是：分子间距大于分子直径10倍以上，分子间无相互作用的引力和斥力，分子势能为零，其内能仅由温度和气体的量决定，内能等于分子的总动能。
温度提高，理想气体的内能增大；温度降低，理想气体的内能减小。
实际气体抽象为理想气体的条件：不易被液化的气体，如氢气、氧气、氮气、氦气、空气等，在压强不太大、温度不太低的情况下，所发生的状态变化，可近似地按理想气体处理。
分子本身的线度与分子之间的距离相比可忽略不计，视分子为没有体积的质点；除碰撞瞬间外，分子之间及分子与容器壁之间没有相互作用力，不计分子所受的重力；分子之间及分子与器壁之间作完全弹性碰撞，没有能量损失，气体分子的动能不因碰撞而损失。
容器各部分分子数密度等于分子在容器中的平均密度n=NV，式中，n是气体分子数密度，N是气体的总分子数，V是气体容器的容积；沿空间各个方向运动的分子数目是相等的；气体分子的运动在各个方向机会均等，不应在某个方向更占优势，即全体分子速度分量vx、vy和vz的平均值vx=vy=vz=0。
理想气体的压强与温度
m 5.31 10 26 kg
标准状态下，分子之间的平均距离约为分子直径的10倍
◎ 分子间有相互作用力
分子间有相互作用的引力和斥力, 简称分子力。分子力F 与分子间距离r 的关系如图所示 F
斥 力
r r0 (10 m ), F 0 r r0 , F 表现为斥力，
10
r r0 , F 表现为引力，且当 r 10 m
第二篇
热
学
主要内容: 气体动理论和热力学 研究对象: 物质分子的热运动及其规律 研究方法: 气体动理论和热力学的研究对象相同,
但研究方法不同。
气体动理论的研究方法 统计方法(微观法) 对单个分子用力学规律，对大量分子（分子集体） 用统计方法。建立描述气体平衡状态的宏观量与相应 微观量之间的关系。 热力学的研究方法 能量法（宏观法） (下一章介绍)
2 x
1 1 2 2 p n m0 v nm0 v v 3 3
（分子的质量密度）
nm0
1 1 2 2 p n m0 v nm0 v v 3 3
2 x
压强公式也可写成
2 1 2 2 p n( m0 v ) n k 3 2 3
压强的物理意义 统计关系式 宏观可观测量
气体的宏观性质用一组状态参量（p,V,T）来描述
(1) 气体的压强 p (pressure) ——器壁单位面积受到的正压力
单位是 Pa (N/m2), 常用单位还有atm(大气压)，mmHg等
1atm 1.013 10 5 Pa 760 mmHg
(2) 气体的体积V (volume) ——气体所占的空间(容器的容积）
根据统计假设
v v v
2 x 2 y
高中物理气体的性质公式总结
高中物理气体的性质公式总结高中物理气体的性质公式1.气体的状态参量：温度：宏观上，物体的冷热程度;微观上，物体内部分子无规则运动的剧烈程度的标志热力学温度与摄氏温度关系：T=t+273 {T:热力学温度(K)，t:摄氏温度(℃)｝体积V：气体分子所能占据的空间，单位换算：1m3=103L=106mL压强p：单位面积上，大量气体分子频繁撞击器壁而产生持续、均匀的压力，标准大气压：1atm=1.013×105Pa=1900pxHg(1Pa=1N/m2)2.气体分子运动的特点：分子间空隙大;除了碰撞的瞬间外，相互作用力微弱;分子运动速率很大3.理想气体的状态方程：p1V1/T1=p2V2/T2 {PV/T=恒量，T为热力学温度(K)｝注:(1)理想气体的内能与理想气体的体积无关,与温度和物质的量有关;(2)公式3成立条件均为一定质量的理想气体，使用公式时要注意温度的单位，t为摄氏温度(℃)，而T为热力学温度(K)。
高中物理气体的性质1.气体的状态参量：温度：宏观上，物体的冷热程度;微观上，物体内部分子无规则运动的剧烈程度的标志，热力学温度与摄氏温度关系：T=t+273 {T:热力学温度(K)，t:摄氏温度(℃)｝体积V：气体分子所能占据的空间，单位换算：1m3=103L=106mL压强p：单位面积上，大量气体分子频繁撞击器壁而产生持续、均匀的压力，标准大气压：1atm=1.013×105Pa=76cmHg(1Pa=1N/m2)2.气体分子运动的特点：分子间空隙大;除了碰撞的瞬间外，相互作用力微弱;分子运动速率很大3.理想气体的状态方程：p1V1/T1=p2V2/T2 {PV/T=恒量，T为热力学温度(K)｝注:(1)理想气体的内能与理想气体的体积无关,与温度和物质的量有关;(2)公式3成立条件均为一定质量的理想气体，使用公式时要注意温度的单位，t为摄氏温度(℃)，而T为热力学温度(K)。
第一讲 理想气体压强、温度及状态方程
稳定态；
o
Q
0 C
o
3、状态参量
【状态参量】可以相互独立变化，并足以确定系统
平衡态的一组宏观量。 •几何参量 如：气体的体积等 •力学参量 如：气体的压强等 •化学参量 如：各化学组分的质量和摩尔质量等
•电磁参量 如：电场和磁场强度等 •热学参量 温度
—— 热学 —— 平衡态 温度 理想气体状态方程
2、平衡态
【平衡态】在无外界影响的条件下，系统的宏观性质 不随时间改变的状态。
1、无外界影响：外界对系统不做功，也不传热。
2、平衡态 （热动平衡）
100 C
３、平衡态——理想状态（平衡总存在涨落）
４、驰豫过程：系统向平衡态过渡的过程。
５、非平衡态的描述——分割成小的系统。
•选定测温物质； •选定与温度单调变化的属性； •假定测温属性与温度成线性关系； •选定温度标准点，将温度计分度。
（1）经验温标
例：利用水银或酒精的体积热胀冷缩性质。 ——水银、酒精温度计。 不同测温质或不同测温属性测量同一温度数值可能不同
—— 热学 —— 平衡态 温度 理想气体状态方程
（2）理想气体温标 ——以理想气体为测量物质
一切与热现象有关的宏观量的值都是统计平均值。 在任一给定瞬间或在系统中任一给定局部范围内， 观测值都与统计平均值有偏差。
—— 热学 —— 理想气体压强 温度的微观意义
1、理想气体的分子模型
自由运动的弹性质点
1）分子可以看作质点，服从牛顿运动定律； 2）除碰撞外，分子之间的作用可忽略不计； 3）分子间及与器壁间的碰撞是完全弹性的； 4）不计重力。
μpV 2 M 6.67 10 kg RT
高中物理热学--理想气体状态方程试题及答案
高中物理热学--理想气体状态方程试题及答案、单选题1•一定质量的理想气体，在某一平衡状态下的压强、体积和温度分别为压强、体积和温度分别为P2、V2、A. p i =p2, V i=2V2, T i= 1T22 C. p i =2p2, V i=2V2, T i= 2T2 T2,下列关系正确的是iB. p i =p2, V i= 2 V2 , T i= 2T2D . p i =2p2 , V i=V2, T i= 2T22.已知理想气体的内能与温度成正比。
如图所示的实线为汽缸内一定质量的理想气体由状态i到状态2的变化曲线，则在整个过程中汽缸内气体的内能A.先增大后减小C.单调变化B.先减小后增大D.保持不变3•地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交热忽略不计•已知大气压强随高度增加而降低，则该气团在此上升过程中（不计气团内分子间的势能）A.体积减小，温度降低B.体积减小，温度不变C•体积增大，温度降低 D.体积增大，温度不变4.下列说法正确的是A. 气体对器壁的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力B. 气体对器壁的压强就是大量气体分子单位时间作用在器壁上的平均冲量C. 气体分子热运动的平均动能减少，气体的压强一定减小D. 单位面积的气体分子数增加，气体的压强一定增大5 .气体内能是所有气体分子热运动动能和势能的总和，其大小与气体的状态有关，分子热运动的平均动能与分子间势能分别取决于气体的A .温度和体积B .体积和压强C.温度和压强 D .压强和温度6.带有活塞的汽缸内封闭一定量的理想气体。
气体开始处于状态a,然后经过程ab到达状态b或进过过程ac到状态c, b、c状态温度相同，如V-T所示。
设气体在状态b和状态c的压强分别为Pb、和PC ,在过程ab和ac 吸收的热量分别为Qab和Qac,贝UA. Pb >Pc, Qab>QacB. Pb >Pc, Qab<QacC. Pb <Pc, Qab>QacD. Pb <Pc, Qab<Qac中7.下列说法中正确的是A. 气体的温度升高时，分子的热运动变得剧烈，分子的平均动能增大，撞击器壁时对器壁的作用力增大，从而气体的压强一定增大B. 气体的体积变小时，单位体积的分子数增多，单位时间内打到器壁单位面积上的分子数增多，从而气体的压强一定增大C. 压缩一定量的气体，气体的内能一定增加D. 分子a从远处趋近固定不动的分子b，当a到达受b的作用力为零处时，a的动能一定最大&对一定量的气体，若用N表示单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数，则p i、V i、T i,在另一平衡状态下的14.一定质量的理想气体由状态A 经状态B 变为状A 当体积减小时，V 必定增加B 当温度升高时，N 必定增加C 当压强不变而体积和温度变化时,D 当压强不变而体积和温度变化时,二、双选题9•一位质量为60 kg 的同学为了表演“轻功”，他用打气筒 只相同的气球充以相等质量的空气（可视为理想气体） ，然 这4只气球以相同的方式放在水平放置的木板上， 在气球的 放置一轻质塑料板，如图所示。
热学中的理想气体压强与温度关系
热学中的理想气体压强与温度关系热学是研究物体温度、热能传递及其它热现象的一门学科。
理想气体压强与温度的关系是热学中的一个重要内容。
在气体状态方程中，理想气体压强与温度有着密切的关联，下面我们将从分子级微观角度以及宏观理想气体方程两个方面来探讨这一关系。
首先，我们从微观角度来看。
理想气体的分子是以高速无规则运动的，且相互之间没有相互作用力的。
当气体分子气温升高时，其平均动能也会增大，分子的高速运动将在容器内壁产生更大冲击力。
因此，气体分子在单位面积上所产生的撞击次数也会随之增加，进而使得容器壁所受到的气体分子撞击力增大。
于是我们可以得出，理想气体的压强与温度呈正相关的关系。
其次，我们从宏观角度上看。
根据理想气体方程，PV=nRT，其中P为气体压强，V为气体体积，n为气体的物质量，R为气体常数，T为气体温度。
根据此方程，我们可以得出压强与温度的关系为P∝T。
这是因为，在其他条件不变的情况下，当气体温度升高时，理想气体的分子动能增大，分子的冲击力也会增大，从而增加了气体分子对容器壁的撞击次数，使得压强增大。
理想气体压强与温度的关系还可以从热力学的角度进行解释。
根据热力学第一定律，气体在绝热条件下，其内能的增加等于外界对气体做功，即ΔU=W。
而对于理想气体而言，ΔU=CvΔT，其中ΔU为气体内能的增加，Cv为气体的等容热容量，ΔT为气体温度的变化。
由此可得，W=CvΔT。
若假设气体体积不变，即V=常量，则对于这种情况下的气体，ΔU=0，因此W=0。
由此可知，当理想气体在等容过程中，对外界做功为0，即没有外界对气体做功。
而根据理想气体方程，PV=nRT，如果V为常量，那么P∝T。
所以我们可以得出，在等容过程中，理想气体压强与温度呈正比关系。
总结一下，无论从微观角度还是在宏观层面上，理想气体压强与温度都有密切的关系。
根据理想气体方程可以得知，理想气体的压强与温度呈正比。
而从热力学角度解释，压强与温度的关系可以通过热力学第一定律以及理想气体的等容过程来说明。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
N i 设 为第 格中的粒子数 . i
粒子总数
N Ni
i
i
lim
N
Ni N
i 概率 粒子在第 格中出现的可能性大
小.
归一化条件
i
i
Ni iN
1
二 理想气体的压强 微观模型
1）分子可视为质点； 线度
间距 r ~ 109 m,; d r
d ~ 10 10 m,
vi vix i viy j viz k 0
有 vx vy vz 0 vx vix / N
x 方向速度平方的平均值
v 2x
1 N
vi2x
i
由于 vi2 vi2x vi2y vi2z
各方向运动概率均等
v
2 x
v
2 y
v2z
r0 ~实表明分子都在作永不停止的无规运动 .
例 : 常温和常压下的氧分子
v 450m/s
~ 107 m; z ~ 1010次 / s
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 .
.......... .. ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
一 大量分子的统计学(statistics)描述 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 .
现代的仪器已可以观察和测量分子或原子的大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.
利用扫描隧道显微镜技术把 一个个原子排列成 IBM 字母的 照片.
1 v2 3
单个分子遵循力学规律
y
x方向动量变化
pix 2mvix
A2o
z
- mmvvvxx
x
A1 y
zx
分子施于器壁的冲量
2mvix
两次碰撞间隔时间
2x vix
单位时间碰撞次数
vix 2x
单个分子单位时间施于器壁的冲量
mvi2x x
y
A2o
z
- mmvvvxx
x
单个分子单位时间施于器壁的冲 量
n氮 2.471019 / cm3
例 标准状态下氧分子
直径 d 41010 m
分子间距 分子线度
10
2、分子力(molecular force)
r r F 当
时，分子力主要表现为斥力；
当
时，分子力0 主要表现为引力.
r r0
o
r 109 m, F 0
3、分子热运动的无序性及统计规律
k R 1.381023 J K1
分子平均平动动能
NA k
1 2
mv2
3 2
kT
微观量的统计平均值
宏观可测量量
温度 T 的物理意义 1） 温度是分子平均平动动能的量度
k
1 2
mv2
3 2
kT
T （反映热运动的剧烈程度）. k
2）温度是大量分子的集体表现，个别分子无意义. 3）在同一温度下，各种气体分子平均平动动能均相等。
注意
热运动与宏观运动的区别：温度所反映的是分子的无规则运动，
它和物体的整体运动无关，物体的整体运动是其中所有分子的一种有 规则运动的表现.
通常所说的气体分子运动速度是对何参考系而言的？
vx vy vz 0 (如质心系等)
讨论
一瓶氦气和一瓶氮气密度相同，分子平均平动动能相同，而且它们都处于平衡 状态，则它们
A1 y
zx
mvi2x x
大量分子总效应
单位时间 N 个粒子对器壁总冲 量
i
mvi2x m xx
i
vi2x
Nm x
i
vi2x N
Nm x
vx2
A 器壁 所受平均冲力
1
F v2x Nm x
y
A2o
z
- mmvvvxx
x
A1 y
A 器壁 所受平均冲力
1
F v2x Nm x
气体压强
zx
p
F yz
Nm xyz
v
2 x
统计规律 分子平均平动动能
n N xyz
v 2x
1 v2 3
k
1 2
mv2
p
2 3
n k
压强的物理意义 统计关系式
p
2 3
n k
宏观可测量量
微观量的统计平均值
分子平均平动动能
k
1 mv2 2
压强是大量分子对时间、对面积的统计平均结果 .
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.
1、分子的数密度和线度 阿伏伽德罗常数：1 mol 物质所含的分子（或原子）的数目均相同 .
NA 6.0221367(36) 1023 mol1
n 分子数密度（ ）：单位体积内的分子数目.
例 常温常压下
n水 3.30 10 22 / cm3
问 为何在推导气体压强公式时不考虑分子间的碰撞 ？
考虑 x 方向，全同分子弹性碰撞，交换动能，等价于没有发生碰撞。
三 理想气体的温度
理想气体压强公式 理想气体状态方程
N
p
2 3
n k
pV m' RT
M
m' Nm M NAm n N /V
pV RT
p nkT
NA
玻尔兹曼常数
2）除碰撞瞬间, 分子间无相互作用力；
3）弹性质点（碰撞均为完全弹性碰撞）；
4）分子的运动遵从经典力学的规律 .
x、y z m 设 边长分别为
及 的长方体中有 N 个全同的质量为 的气体
分子，计算 壁面所受压强 .
A1
y
A2 o
z
- mmvvvxx
x
v y A1 y
o
z x vz
v v x
........... ............ ........... ............
小球在伽 尔顿板中的分 布规律 .
统计规律 当小球数 N 足够大时小球的分布具有统计规律.
..... .... .... .... .... .... .... .... . .. .. .. .. .. .. .. .. .
单个分子对器壁碰撞特性 : 偶然性 、不连续性. 大量分子对器壁碰撞的总效果 ： 恒定的、持续的力的作用 .
热动平衡的统计规律 （ 平衡态 ） 1）分子按位置的分布是均匀的
2）分子各方向运动概率均等
n dN N dV V
单个分子运动速度
vi = vixi viy j vizk
从大量分子的统计来看，各个方向的运动是均衡的，即各方向运动概率均等， 没有一个方向具有特殊性。由于气体整体运动速度为零，即
（A）温度相同、压强相同。 （B）温度、压强都不同。 （C）温度相同，但氦气的压强大于氮气的压强. （D）温度相同，但氦气的压强小于氮气的压强.