kinetic theory of gas气体动力学理论
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(大学物理课件)气体动理论

—气体压强公式
Ⅲ 温度的统计意义
由
p
2 3
n t
和p nkT
t
3 2
kT ,即T 和t
单值对应
由此给出温度的统计意义 —
T是大量分子热运动平均平动动能的量度。
t
1 2
mv 2
t
3 2
kT
v2 3kT m
3 RT
T,
v 2 称为方均根速率 (root-mean-square
Ⅳ 能量均分定理
2 . 理想气体
宏观上,满足理想气体状态方程的气体 微观假设: (1)大小 — 分子线度<<分子间平均距离; (2)分子力 — 除碰撞的瞬间,在分子之间
分子与器壁之间无作用力; (3)碰撞性质 — 弹性碰撞; (4)服从规律 — 牛顿力学。
二、等概率假设
(1)分子在各处出现的概率相同
ndNNcon.st dV V
dI dIi
(vix0)
1
2 i dIi
i
ni
mv
2 ix
d
t
d
A
(viy和viz可取任意值)
第4步:pd dF Add tdIA i nimvi2x
i
Ni V
mvi2x
V NmN Nivi2xnm v2x
1 nmv 2 3
由分子平均平动动能 t
1 2
mv 2
和p 1nmv2 3
有
p
2 3
n t
v — 振动自由度,
v=1
∴ 总自由度: i = t + r + v = 6
3. 多原子分子 (multi-atomic molecule)
如:H2O,NH3 ,…
气体动理论

气体动理论(kinetic theory of gases)是19世纪中叶建立的以气体热现象为主要研究对象的经典微观统计理论。
气体由大量分子组成,分子作无规则的热运动,分子间存在作用力,分子的运动遵循经典的牛顿力学。
根据上述微观模型,采用统计平均的方法来考察大量分子的集体行为,为气体的宏观热学性质和规律,如压强、温度、状态方程、内能、比热以及输运过程(扩散、热传导、黏滞性)等提供定量的微观解释。
气体动理论揭示了气体宏观热学性质和过程的微观本质,推导出宏观规律,给出了宏观量与微观量平均值的关系。
它的成功印证了微观模型和统计方法的正确性,使人们对气体分子的集体运动和相互作用有了清晰的物理图像,标志着物理学的研究第一次达到了分子水平。
大学物理第3章-气体动理论

二、方均根速率:与分子速率相关的一种统计平均值, 与分子运动的平均平动动能相联系。
1 2 3 m v kT 2 2
3kT v m
2
v2
3kT m
3 RT M
m为单个 分子质量 M为摩 尔质量
v
2
同一温度下,质量大的分子其方均根速率小。 如:
v 1836m / s
2
v 461m / s
p nkT
例: 一容器内装有气体,温度为 27 oC,问: (1) 压强为1.013105 Pa时,在 1 m3 中有多少个分子; (2) 在高真空时,压强为 1.3310-5 Pa,在 1 m3 中有多 少个分子? 解: 按公式 p = nkT 可知
p 1.013 105 3 25 3 (1) n = m 2 . 45 10 m kT 1.38 1023 300
x
vi
考虑容器壁上一面积元 dA,速度为 气体分子(这种速度的分子的数密度为 ni ) 在 dt 时间间隔内能与面积元 dA 发生碰撞 的数目为: N i ni vixdtdA
vi 的
பைடு நூலகம்
vxi
x dA
速度为 v i 分子在 dt 时间对 dA 的冲量为:
ni vixdAdt (2mv ix )
cos 2 cos 2 cos 2 1 所以只有两个独立坐标, 称为转动自由度, 表示为 r = 2。
z
x o
y
刚性双原子分子总自由度数:i = t + r = 3 + 2 = 5
三、刚性三原子分子 (如H2O)
z
2
考虑 3 号原子绕 1、2 号 连线转动,需一角量 , 为转动自由度。
大学物理课件第8章气体动理论(PPT 100页)

i i
v
2.分子速度分布的等几率假设 分子速度分布的 分子速度分布 速度取向各方向等几率 结果: 结果:
y
υi Ni
x
v
υ =0
v
υi Ni
v
z
υx = υy = υz
υ =υ =υ
2 x 2 y 2 z
υx
∑υ N = ∑N
ix i i i
i
i
2 υx =
2 υix Ni ∑
∑N
i
i
19
υ =0 υx = υy = υz
P →0
在 T 一定的情况下 n 值小 意味着分子间距大 2 .完全弹性碰撞 完全弹性碰撞 3. 除碰撞外 分子间无相互作用 分子间无相互作用 f=0 范德瓦耳斯力(简称:范氏力 范德瓦耳斯力 简称:范氏力) 简称
15
f
斥力 合力
气体之间的距离
r > 8 r0
s
10 -9m
r0
O d 引力
r
引力可认为是零 可看做理想气体
1
§0
统计规律初步 结果相同
1.统计规 统计规 方法: 律、方法: 多个粒子的一次行为 如:掷硬币 看正反面出现的比例 比例接近1/2 比例接近 统计规律性: 统计规律性:
一个粒子的多次行为
•大量随机事件从整体上表现出来的规律性 大量随机事件从整体上表现出来的规律性 量必须很大
2
飞镖
分布曲线
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分子力
范德瓦耳斯力
16
平衡态下气体分子集体行为 集体行为的几个结果 二、 平衡态下气体分子集体行为的几个结果 1.平衡态时 微观量分布的等几率假设的必要性 平衡态时 微观量分布的等几率假设 等几率假设的 •因为宏观量是某些微观量的平均值 因为宏观量是某些微观量的平均值 因为宏观量是某些 •平衡态时各处宏观量相同 平衡态时各处宏观量相同 所以用系统中 任何部分气体计算出的 微观量的平均值必须相同 •分子又是处于不断地无规的运动中 分子又是处于不断地无规的运动中 所以必须假设平衡态时微观量分布等几率 所以必须假设平衡态时微观量分布等几率
气体动理论Kinetic-Theory-of-Gases ppt课件

based on some experimental laws.
(2) Statistical Mechanics or physics(统计力学或统计 物理) : based on the mechanics law and the statistical(统计) theory.
§12-1 Essential Concepts of the Kinetic Theory of Gases 气体动理论的基本概念
研究方法 The studied object(对象) is :
a system
containing a vast(大量) number of particles:
molecules
The adopted methods are:
( 1 ) T h erm o d y n a m i cs ( 热 力 学 ) : s t u d y h e a t phenomena in the view of energy transformation
r0 10 m
10
§12-2 State Parameters Equilibrium State Ideal Gas law 状态参量 平衡态 理想气体状态方程 1. State Parameters of Gas 状态参量 For a gas, in order to describe its properties , three parameters (参数) are needed:
一、重要人物:
焦耳:J.P.Joule 1818-1889,英 国物理学家,职业是酿酒商。 是发现能量守恒与转换定律的 代表人物,英国皇家学会会员,
法国科学院院士。
卡诺:Carnot,1796~1832,法 国物理学家,工程师,热力学 奠基人,提出卡诺循环和卡诺 定理。
Chapter 8 kinetic theory of gases(1)

We expect the pressure to be reduced by a factor proportional to the density squared a(n / V )2
RT a P 2 V ( V / n ) ( b) n
a V (P )( b) RT 2 (V / n) n
Chapter 20 Kinetic theory of gases (气体动理论)
Key words and Terms
• • • • • • • • • • • Kinetic theory of gases thermal motion Boltzmann constant Maxwell distribution of speeds most probable speed root-mean-square speed average speed mean collision frequency mean free path macroscopic quantities microscopic quantities 气体动理论 热运动 玻耳兹曼常量 麦克斯韦速率分布 最概然速率 方均根速率 平均速率 平均碰撞频率 平均自由程 宏观量 微观量
* Van der Waals Equation of state (real gas)
PV nRT
(idea gas law)
Let b represent the “unavailable volume per mole” of gas.
V P(V nb) nRT P( b) RT n
PV costant(law of Boyle)
P costant(law of Charles) T V costant(law of Gay-Lussac) T
气体动理论-2
v p —— 讨论分子的速率分布时用
v
—— 讨论分子碰撞问题时用
18
4. 利用麦克斯韦速率分布函数计 算微观量的平均值 ①
物理量
0 ~ 整个速率范围(全体分子)的某一
x 的平均值
0
x xf (v )dv
v vf (v )dv
0
8 RT
19
②
理量 x 平均值
v1 ~ v2 速率范围内(部分分子)的某一物
如 t , 等; 还应该进 v
2
一步弄清分子按速率和按 能量等的分布情况。
麦克斯韦
整体上看,气体的速率分布是有统计规律性的。
6
描写分子的速率分布可以有两种方式: 一种是像前面那样用分立数据描写: v1, v2 … vi … N1,N2 … Ni …
Ni
0
vi
这种描写既繁琐,又不能很好地体现统计 的规律性。 7
17
3. 方均根速率(root-mean-square speed) (麦) 3kT 2 2 v v f (v ) d v m 0 3kT 3 RT 2 v (与前同) m M 8 2 vp : v : v 2 : : 3 1.41 : 1.60 : 1.73 π 2 —— 讨论分子平均平动动能时用 v
2
一 . 理想气体的微观假设 1.关于每个分子的力学性 2.关于大量分子的统计假设(对平衡态) 质 二. 理想气体压强公式的推导
2 p n t 3
— 气体压强公式
三 方均根速率
v
2
3kT 3 RT m M
3
温度的统计意义:
T是大量分子热运动平均平动动能的量度。 四 . 能量均分定理 分子热运动的每一 在温度为T 的平衡态下, 1 个自由度所对应的平均动能都等于 kT 2 i 分子平均能量 kT 2
气体动理论的基本观点
3
14.2 气体动理论的基本观点
克劳修斯提出了理想气体 分子运动模型、引进统计 概念推导理想气体压强公 式,引进平均自由程概念 解决气体扩散速度的疑难 问题;
麦克斯韦于1859年发现 分子热运动的无规性,并 在几率概念的基础上用统 计方法导出了麦克斯韦速 率分布律;
第14章 气体动理论
4
14.2 气体动理论的基本观点 第14章 气体动理论
动的不规则性。 [D] 布朗运动随液体温度的降低而愈激烈。
22
14.2 气体动理论的基本观点 第14章 气体动理论
问题3、对于气体分子热运动服从统计规律的 正确理解是:
[A] 大量无序运动的气体分子组成的系统在 总体上所呈现的规律性,称为统计规律性。
[B] 统计规律对所含分子数极少的系统仍然 适用。
伽尔顿板实验
小球在伽尔顿 板中的分布规律:
中央多,两端少
每个小球落入哪个 槽是偶然的;
............ ........... ............ ........... ............ ........... ............
少量小球按狭槽 分布有明显偶然性;
大量小球按狭槽分
在克劳修斯、麦克斯 韦、玻尔兹曼研究的基础 上,吉布斯提出:“热力 学的发现基础建立在力学 的一个分支上”,由此建 立了统计力学。
1902年发表了《统计 力学的基本理论》,建立 了完整的“系综理论”。
第14章 气体动理论
6
14.2 气体动理论的基本观点 第14章 气体动理论
14.2 气体动理论的基本观点 第14章 气体动理论
二、分子热运动的无序性及统计规律 气体分子的特点: 数量多、间距大、速度快、碰撞频繁。 单个分子 ——无序、具有偶然性、遵循力学规律。 整体(大量分子)—— 服从统计规律。 例:常温和常压下的氧分子
14.2 气体动理论的基本观点
克劳修斯提出了理想气体 分子运动模型、引进统计 概念推导理想气体压强公 式,引进平均自由程概念 解决气体扩散速度的疑难 问题;
麦克斯韦于1859年发现 分子热运动的无规性,并 在几率概念的基础上用统 计方法导出了麦克斯韦速 率分布律;
第14章 气体动理论
4
14.2 气体动理论的基本观点 第14章 气体动理论
动的不规则性。 [D] 布朗运动随液体温度的降低而愈激烈。
22
14.2 气体动理论的基本观点 第14章 气体动理论
问题3、对于气体分子热运动服从统计规律的 正确理解是:
[A] 大量无序运动的气体分子组成的系统在 总体上所呈现的规律性,称为统计规律性。
[B] 统计规律对所含分子数极少的系统仍然 适用。
伽尔顿板实验
小球在伽尔顿 板中的分布规律:
中央多,两端少
每个小球落入哪个 槽是偶然的;
............ ........... ............ ........... ............ ........... ............
少量小球按狭槽 分布有明显偶然性;
大量小球按狭槽分
在克劳修斯、麦克斯 韦、玻尔兹曼研究的基础 上,吉布斯提出:“热力 学的发现基础建立在力学 的一个分支上”,由此建 立了统计力学。
1902年发表了《统计 力学的基本理论》,建立 了完整的“系综理论”。
第14章 气体动理论
6
14.2 气体动理论的基本观点 第14章 气体动理论
14.2 气体动理论的基本观点 第14章 气体动理论
二、分子热运动的无序性及统计规律 气体分子的特点: 数量多、间距大、速度快、碰撞频繁。 单个分子 ——无序、具有偶然性、遵循力学规律。 整体(大量分子)—— 服从统计规律。 例:常温和常压下的氧分子
第2章 气体动理论
按位置的分布是均匀的:
dN N n dV V
包含足够多分子 “宏观小微观大”
每个分子运动速度取向沿任意方向的概率都相等,即分 子速度平方按方向的分布是均匀的:
1 2 v v v v 3
2 x 2 y 2 z
v
2
2 2 2 vx v y vz
2 x
2 ix N i i
, vN 1, x , vN , x
第 i 组的Ni个分子具有相同的速度分量,记为vix: v N1 ,, Ni1 1x v N1 ,, Ni1 2x v N1 ,, Ni x vix 且有 N1 N2 Ni N 或
§2-1 理想气体的压强
道尔顿分压定律
设几种气体储于一密闭容器中,并处于平衡态, 且分子数密度分别为 n1 、n2 、 n3 、 … , 则 混合气体的分子数密度为
n n1 n2
温度相同,故
1 2 ...
混合气体的压强为
p1 p2
2 2 2 p n n11 n2 2 3 3 3
定理——在温度为T 的平衡态下,气体分子每一个自由度
的平均动能都相等,且等于 1 kT。 2 一般地:
在温度 T 的平衡态下,分子能量表达式中任何 一个平方项的统计平均值都等于 1 kT 。 2
§2-3 能均分定理
一个分子的能量,总能写成关于坐标和速度 的平方项之和:
2 1 质心平动动能: m (v x v 2 v z2 ) y
第二章 气体动理论
Kinetic Theory of Gases
本章主要内容
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4 §2-5 §2-6 §2-7 §2-8 §2-9 理想气体的压强 温度的微观意义 能均分定理 Maxwell速率分布律 Boltzmann分布律 实际气体等温线 Van der Waals方程 平均碰撞频率和平均自由程 输运过程
第2章 气体动理论(Kinetic theory of gases)
(3)分子之间的碰撞以及分子与器壁的碰撞都是弹性的,即在碰 撞前后气体分子的动量守恒,动能守恒。
(4)气体分子的运动服从经典力学规律。 注意:这个假设的实质是,在一般条件下,对所有气体分子,经典 描述有效,不必采用量子论。 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。 5 鞍山科技大学 姜丽娜
鞍山科技大学 姜丽娜 14
该分子碰撞器壁一次所受的冲量:
由牛顿第三定律知,器壁受分子碰撞一次所受的冲量: ni vix dt dA 在 dt 时间内与dA碰撞的分子数(即斜柱体内的分子): 这些分子在 dt 时间内对 dA 的总冲量为: 所有分子在 dt 时间内对 dA 的总冲量为: dA
x
气体对器壁的宏观压强为:
鞍山科技大学 姜丽娜
2
1. 气体所占的体积V: 气体分子活动所能达到的空间范围。 注意: (1)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。
(2)它与气体分子本身体积的总和完全不同;
(3)气体体积的单位是m3; 2. 气体的压强P: 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,是气体分子对器壁碰撞的宏观表现。 注意:气体压强单位的关系是1Pa=1N/m2;1atm=101325Pa。 3. 气体的温度T: 从宏观上来讲,温度表示物体的冷热程度;从微观上讲, 温度反映物质内部分子运动的剧烈程度。
鞍山科技大学 姜丽娜
21
(3)按照上式,热力学温度零度将是理想气体分子热运动停止 时的温度,然而实际上分子运动是永远不会停息的。热力学温 度零度也是永远不可能达到的,而且近代理论指出,即使在热力 学温度零度时,组成固体点阵的粒子也还保持着某种振动的能 量,叫做零点能量。对于气体,在温度未达到热力学温度零度以 前,已变成液体或固体,理想气体温度公式早已不适用了。 2.气体分子的方均根速率:
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3. Temperature of an Ideal gas
3 ε t = kT 2
2 P = nε t 3
P = n kT
Temperature in Kelvin
The average translational kinetic energy of molecules in an ideal gas is directly proportional to the absolute temperature. The molecular interpretation of temperature: The temperature of a gas is a direct measure of the average translational kinetic energy of its molecules! The higher the temperature, the faster the molecules are moving on the average. It applies reasonably accurately to liquids and solids.
16-1 The Ideal Gas Law and the Molecular Interpretation of Temperature
Our first model of a many-particle system: the Ideal Gas
Models of matter: gas models (random motion of particles)
F root mean square speed vrms
vrms = v =
for a gas, m T ↑
2
3kT = m
v
2
3 RT
µ
1 3 2 ε t = mv = kT 2 2
R k R = = µ m N Am
at a temperature T
µ↑
v2
↓
This is a particular type of average for a statistical process.
− vix
− mvix
v mvi
As a result of a collision the momentum changes by
− m vix − mvix = −2m vix
The impulse exerted on the wall by the collision = 2 m vix
x
v ix
v2 x =
2 n v ∑ i ix i
n
Suppose dA is perpendicular to x axis ,the collision time is dt.
For each (elastic) collision, the impulse on dA
2m vix
The number of molecules that collide with dA in the time interval dt equals the number in the box.
The impulse exerted by all molecules on dA in the time interval dt
dI =
( v ix > 0 )
∑
2 2 mn i v ix dAdt
The impulse exerted by all molecules on dA in the time interval dt
= 6.42 × 10
−21
(J)
Example (a) What is the rms speed of hydrogen molecules when temperature is 0 ℃ , and (b) the rms speed of oxygen molecules at the same temperature. For H2 molecules
Example What is the average translational kinetic energy of molecules in an ideal gas at 37 °C? Solution:
3 ε t = kT 2
3 = × 1.38 × 10 − 23 × ( 37 + 273) 2
2 x 2 1x 2 2x 2 ix
vx x
vy
y
Since the velocity of the molecules in the gas are assumed to be random, there is no preference to one direction or another.
v = vy = v
dN N n= = dV V
)
Velocities of molecules are different. Each molecule has its velocity, which may be changed due to collisions. In an equilibrium state, velocity of each molecule has the same probability to point to any directions. That is, the distribution of velocity of molecules is uniform in direction, which leads to the mean-square speeds of all components of velocity are same.
1 2 d I = ∑ 2 mn i v d A d t = ∑ 2 mn i v ix d A d t 2 ( v ix > 0 ) dI dI 2 dF = P= = ∑ mn i v ix d A d t dt dAdt
2 ix
P=
2 2 mn v = m n 2 x i
2) Statistical assumptions about an ideal gas
) In an equilibrium state, the distribution of molecules on the
position is uniform, which means that the density of number of molecules is the same everywhere,
mvix
dA
Consider a container of volume V containing N molecules, each of mass m moving with speed v. The number of molecules per unit volume is n .
Let ni be the number of molecules that have velocity between r r r vi − vi + dvi per unit volume.
dA x
v v i dt
v ix dt
ni vix dt dA
Volume of the box
The impulse exerted by molecules r r r on dA that have velocity between vi − vi + dvi equals
ni vix dt dA( 2m vix)
N
+
N
2 2 v2 = v2 + v + v x y z
v
2 x
dN v v n= dV are statistical average values.
2 y
2 z
1 2 v = vy = v = v 3
2 x 2 2 z
2. Calculating the Pressure Exerted by a Gas
2 be the average value of v Let v 2 x x 2 the average value of v y v
2 y
2 the average value of vz2 vz
z vz
2 v ∑ ix
r v
v + v + L+ v = i v = N N 2 2 v v ∑ iy ∑ iz 2 2 vy = i = i vz N N
ni = Ni V
The number of molecules per unit volume equals
n = ∑ ni
v =
2 x
∑
N
k =1
2 v kx
N
Ni 2 N1 2 N2 2 v1x + v2 x + L vix N v + N v + LN v V V = = V N N /V
2 1 1x 2 2 2x 2 i ix
Chapter 16
Kinetic Theory of Gases
16-1 The Ideal Gas Law and the Molecular Interpretation of Temperature
16-2 Distribution of Molecular Speeds
16-6 Mean Free Path
2 x 2
2 z
For a single molecule
v =v +v +v
2 i 2 ix 2 iy
2 v ∑ i 2 v ∑ ix
2 iz
v = vy = v
2 x 2
2 v ∑ iz