理想气体的压强和温度
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
8.2 理想气体的压强和温度
温度测量的一个依据
R k 1.38 1023 J K 1 NA
温度 T 的物理意义
1 2 3 t mv kT 2 2
t T
1） 温度是分子平均平动动能的量度 （反映热运动的剧烈程度）.
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.（与第零定律一致） 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.
2. 统计假设 （1）无外力场，平衡态气体分子按空间位置均 匀分布； （2）宏观上气体和器壁都静止，平衡态气体分 子向各个方向运动的概率（可能性）相等。
平衡态：分子向前、后、左、右、上、下运 动的分子各占总数的1/6。 统计意义下的假设： 对大量分子， 处于平衡态
8.2.2 统计平均值 设 N个分子组成的系统，处于某一状态。如 果在这N个分子中，有N1个分子的物理量W取值 为W1，N2个分子的取值为 W2，…，则物理量W 的算术平均值：
2 mvix Δt I i 2mvix K x0
A 面受到容器内所有分子的冲量： mΔt mΔtN 2 2 I Ii vix vx x0 i x0 i
把 I 除以 t 和面积，就得到气体的压强：
1 mN 2 I 2 2 v x nmv x nmv p 3 Δt y0 z0 x0 y0 z0
分子各方向运动概率均等
2 1 1 2 2 气体压强为 p n m v n t 分子平均平动动能 t m v 2 3 3
说明:
压强公式将宏观量
1 2 v v 3
2 x
p 和微观量的统计平均值 n t 联系在一起
理想气体的压强与温度
理想气体的压强与温度
根据理想气体状态方程，理想气体的压强与温度之间存在以下关系：P * V = n * R * T
其中，P为气体的压强，V为气体的体积，n为气体的物质的量，R
为气体常数，T为气体的绝对温度。
由上述方程可以推导出，理想气体的压强与温度成正比关系，即当
温度升高时，压强也会增加；当温度降低时，压强也会减小。
这是因
为温度的增加会使气体内分子的平均动能增加，分子运动更加剧烈，
从而增加碰撞力，导致气体的压强增加。
需要注意的是，上述关系在气体的体积和物质的量不发生变化的条
件下成立。
同时，上述关系只适用于符合理想气体状态的气体，即低压、高温下气体分子之间几乎没有相互作用，可以近似看作质点。
对
于高压或低温下的气体，分子之间的相互作用不能忽略，此时可能需
要考虑气体的比较复杂的状态方程。
理想气体压强和温度公式
9
第3步：dt时间内所有分子对dA的冲量
dI dIi ix 0
1 2
i
dIi
nimi2xdtdA
i
dIi
2ni mi2xdtdA
第4步：由压强的定义得出结果
P
dF dA
dI dtdA
i
ni
m
2 ix
i dA
ixdt
10
P
dF dA
dI dtdA
12
在1区和2区 计算的平均 值相同
计算平均值的公式
Nii
i
Ni
i
1
1
分子速率分布 各处等几率
4
2.分子速度分布的等几率假设
y
速度取向各方向等几率
i Ni
结果：
0
i Ni
z
x y z
2 x
2 y
2 z
x
ix Ni x i Ni
2)增加分子运动的平均平动能 w
即增加每次碰壁的强度 12
压强只有统计意义 思考 ： 1. 推导过程中为什么不考虑小柱体内会有
速度为i的分子被碰撞出来？
2. 如果考虑分子间有引力存在 压强的数值 与理想气体模型时的压强数值相比应该是大 些还是小些？
13
四. 温度的统计意义
P 2 nw P nkT
dN dV
N V
y
分子数密度处处相同 注意：平衡态
i Ni
z
i Ni
x
7
三. 气体分子运动论的压强公式 压强：大量分子碰单位面积器壁的平均作用力 系统：理想气体 平衡态 忽略重力 设 N 个 同种分子 每个分子质量 m 分子数密度 n = N/V 足够大
理想气体的压强和温度
气体的压强等于大量分子 在单位时间内施加在单位 面积器壁上的平均冲量。 面积器壁上的平均冲量。
4
说明：在推压强公式时， 说明：在推压强公式时，没有考虑分子在往返于器 碰撞过程中， 壁S1和S2碰撞过程中，还与其他分子发生碰撞而改 变了速度的情况。从统计观点看， 变了速度的情况。从统计观点看，在处于平衡态的 系统中，若有一个速度为vi的分子因受到其他分子 系统中，若有一个速度为 的碰撞而改变了速度， 的碰撞而改变了速度，必定有其他分子因碰撞而具 有了v 速度。所以， 有了 i速度。所以，由统计概念和统计方法得到的 理想气体压强公式是统计规律性的反映。 理想气体压强公式是统计A、 和 ， 同时与C发生热 设有三个系统 、B和C，使A和B同时与 发生热 和 同时与 接触， 彼此隔绝。 接触 ， 而 A和B彼此隔绝 。 经过一定时间后 ， A与C 和 彼此隔绝 经过一定时间后， 与 达到了热平衡，同时B与 也达到了热平衡 也达到了热平衡。 达到了热平衡，同时 与C也达到了热平衡。这时若 发生热接触， 使A与B发生热接触，实验表明这两个系统的状态都 与 发生热接触 不会发生任何变化，说明A与 已经达到了热平衡 已经达到了热平衡。 不会发生任何变化，说明 与B已经达到了热平衡。 如果系统A和系统 同时与第三个系统 如果系统 和系统B同时与第三个系统 处于热平 和系统 同时与第三个系统C处于热平 之间也必定处于热平衡。 衡 ， 则 A 、 B之间也必定处于热平衡 。 这个规律称 之间也必定处于热平衡 热力学第零定律。 为热力学第零定律。 温度的宏观意义是决定一个系统是否与其它系统 处于热平衡的宏观标志， 处于热平衡的宏观标志 ， 彼此处于热平衡的所有系 必定具有相同的温度。 统，必定具有相同的温度。
理想气体的等温过程压强体积与温度的变化规律
理想气体的等温过程压强体积与温度的变化规律理想气体的等温过程是指在恒定温度下，气体的体积与压强之间的关系。
根据理想气体状态方程PV=nRT（其中P为气体的压强，V为气体的体积，n为气体的物质量，R为气体常数，T为气体的温度），我们可以推导出理想气体的等温过程中的压强体积与温度的变化规律。
首先，我们假设对于一个特定的理想气体，在等温过程中，其物质量和气体常数保持不变。
这样，我们可以将状态方程简化为PV=常数。
根据这个简化后的方程，我们可以得到等温过程中的压强体积关系。
当气体的体积变化时，根据PV=常数，压强和体积的乘积始终保持不变。
这意味着，当气体的体积增加时，其压强会相应地减小；而当气体的体积减小时，其压强会相应地增加。
这是因为在等温过程中，气体的温度不变，气体分子的平均动能也保持不变。
当气体膨胀时，分子撞击容器壁的频率降低，因此压强减小；而当气体被压缩时，分子撞击容器壁的频率增加，压强增加。
而根据理想气体状态方程，PV=nRT，当温度不变时，P、V、n均保持不变，而R是一个常数。
因此，P和V之间的关系可以表示为P=k/V（其中k为常数）。
这意味着在等温过程中，压强和体积呈反比关系。
当气体的体积变大时，其压强会相应地变小；当气体的体积变小时，其压强会相应地变大。
综上所述，在理想气体的等温过程中，压强体积与温度的变化规律可以归纳如下：1. 当气体的体积增加时，压强减小；2. 当气体的体积减小时，压强增加；3. 压强和体积成反比关系，即压强和体积的乘积保持不变；4. 温度不变。
这些规律也可以通过实验进行验证。
通过控制气体在恒定温度下的体积变化，并测量相应的压强变化，我们可以得到实验数据，从而得出以上规律。
理解理想气体的等温过程以及压强体积与温度的变化规律对于理解气体行为和热力学过程具有重要意义。
在实际应用中，例如工程热力学、气象学等领域，我们可以通过这些规律来研究和预测气体的行为，为实际问题的解决提供指导。
理想气体的压强与温度公式
快减
快增
速率分布曲线 有单峰，不对称
两者相乘
速率
恒取正
[讨论]
① v 0, f (v ) 0 v , f (v ) 0
f (v)
线，小面积， 大面积的物 理意义？
v0 ②满足归一化条件： f (v)dv 1 o v0 v 1
dv
v 2 dv
v
③ f (v )v N 表示分布在 v v v 区间内的分子
RT
, 则 n 按指数而减小；
m ol
②分子的摩尔质量 M
RT
越大，重力
P P0 e
M m ol gh
作用越显著，n 的减小就越迅速。 ③T ，分子的无规则热运动越剧 烈，n 的减小就越缓慢。
M 2 0.1 2 P v (200) 2 3V 3 10
1.33 10 ( Pa)
5
例3：某气体在温度为T=273K时，压强为 p=1.0×10-2atm，密度 1.24 10 2 kg / m3 ， 求该气体分子的方均根速率。
解：
M RT V P PV RT , P M mol M mol M
2. 平衡态理想气体分子运动的统计假设 ①分子在容器中的空间分布平均来说是均匀的，分子数
密度：
dN N n dV V N 表示容器体积V内的分子数。
②具有相同速率的分子，向各个方向运动的平均分子数 是相等的：
统 计 结 果
v v v v
2 i 2 ix 2 iy
2 iz
vx v y vz 0
8 RT v M mol
o
vp v
v2
v
v2
气体状态理想气体与压强体积温度的关系
气体状态理想气体与压强体积温度的关系理想气体是指在一定温度范围内，无论其是何种气体，都服从理想气体状态方程，即PV = nRT。
在这个方程中，P代表气体的压强，V 代表气体的体积，n代表气体的物质量，R为气体常数，T代表气体的温度。
根据理想气体状态方程，我们可以推导出理想气体与压强、体积和温度之间的关系。
下面将分别讨论这三个关系。
压强与体积之间的关系：根据理想气体状态方程PV = nRT，我们可以得到压强与体积之间的关系：P1V1 = P2V2其中P1和V1分别代表气体初态的压强和体积，P2和V2分别代表气体末态的压强和体积。
从这个式子中，我们可以看出压强和体积是成反比关系的。
当气体的体积增大时，其压强会减小；相反，当气体的体积减小时，其压强会增大。
体积与温度之间的关系：根据理想气体状态方程PV = nRT，我们可以将其转化为：V1/T1 = V2/T2其中V1和T1分别代表气体初态的体积和温度，V2和T2分别代表气体末态的体积和温度。
从这个式子中，我们可以看出体积和温度是成正比关系的。
当气体的温度增大时，其体积也会增大；相反，当气体的温度减小时，其体积也会减小。
压强与温度之间的关系：根据理想气体状态方程PV = nRT，我们可以将其转化为：P1/T1 = P2/T2其中P1和T1分别代表气体初态的压强和温度，P2和T2分别代表气体末态的压强和温度。
从这个式子中，我们可以看出压强和温度也是成正比关系的。
当气体的温度增大时，其压强也会增大；相反，当气体的温度减小时，其压强也会减小。
综上所述，理想气体的压强、体积和温度之间存在着一定的关系。
通过理想气体状态方程，我们可以推导出压强与体积、体积与温度、压强与温度之间的关系。
这些关系很好地描述了气体状态的变化规律，对于理解气体行为和研究气体性质具有重要意义。
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例 一容积为 V=1.0m3 的容器内装有 N1=1.0×1024 个 氧分子 N2=3.0×1024 个氮分子的混合气体， 混合气体的压强 p =2.58×104 Pa 。
求 (1) 分子的平均平动动能；
(2) 混合气体的温度。
解
(1) 由压强公式
3 p 2n
3p 2 (N1 N2 )
每个分子平均平动动能只与温度有关，与气体的种类无关。 说明
(1)温度是大量分子热运动平均平动动能的度量, 是物体内 部分子热运动剧烈程度的标志。
(2) 温度是统计概念，是大量分子热运动的集体表现。 对于单个或少数分子来说，温度的概念就失去了意义。
2. 理想气体状态方程的推证
理想气体状态方程
p 2 n
解 (1) 由理想气体状态方程得
N
nV
pV kT
5 106 133.3105 1.381023 300
1.611012
(2) 每个分子平均平动动能
3 kT
2
N 个分子总平动动能为
N N 3 kT 108 J
2
探究讨论问题
• 理想气体与实际气体的区别 • 真空技术在实际中有哪些应用？
v
2 ix
dtdA
V vix 0
iV
由压强定义得
p dI dAdt
N
V
i
Niv
2 ix
N
n
v
2 x
1 n
3
v2
p 2 n(1 v 2 ) 2 n
32
3
: 分子平均平动动能
说明 (1) 压强 p 是一个统计平均量。是大量分子的集体行为，对 大量分子，压强才有意义。
(2) 是一微观统计平均量，不能直接测量的 。压强公式无
一定量理想气体 V ,N ,, n
n N V
将N个分子分组，每组分子具有相同的速度
vi
Ni
ni
ni
Ni
V
由于气体处于平衡态时，器壁上各处的压强相等，所以
只研究器壁上任一块小面积所受的压强即可
分子碰撞器壁产生压强。碰撞使分子改变动量，同时 对器壁产生冲力
一次碰撞单分子动量变化 2vix
在dt 时间内，所有速度为 vi 的分子中，
4.1 理想气体的压强和温度
4.1.1 理想气体的微观模型 (1) 忽略分子大小（看作质点）（分子线度<<分子间平均距离） (2) 忽略分子间的作用力（分子与分子或器壁碰撞时除外）
(3) 碰撞为完全弹性碰撞
理想气体: 可看作是许多个自由地、无规则运动着的弹性小 球的集合。
4.1.2 理想气体的压强公式
3
2 n 3 kT 32
p nkT
在相同的温度和压强下，各种气体的分子数密度相等。
p nkT
pN RT V N0
pV RT
例 有一容积为10cm3 的电子管，当温度为300K时用真空泵 抽成高真空，使管内压强为5×10-6 mmHg。
求 (1) 此时管内气体分子的数目； (2) 这些分子的总平动动能。
V
9.681021 J
(2) 由理想气体的状态方程得 PV RT
P
V
RT
V
N0kT
nkT
k R 1.381023 J/K N0
T
p nk
N1
p N2 V
k Βιβλιοθήκη 467K玻耳兹曼常量
4.1.3 理想气体的温度
1. 理想气体温度与分子平均平动动能的关系
理想气体分子的平均平动动能为
1 v 2 1 3kT 3 kT 2 2 2
有多少分子能够与微小面积 dA 相碰撞
dA, dt宏观小微
观大
在dt 时间内，速度为 vi
z
的分子与 面元dA 碰撞的
分子数为
Ni
V
v
ix
dtdA
(vix 0)
z y
vidt dA n
在dt 时间内，与面元
vi
y
dA 碰撞的所有分子所
受的冲量dI 为
O
v ix
x
2
Ni
v
2 ix
dtdA
Ni