1、大 学 物 理气体动理论本章导读3热现象在自然界中非常普遍，它是大量分子做无规则运动（即热运动）的宏观表现。研究物质热现象及其规律的科学称为热学。根据研究角度和研究方法的不同，热学可分为统计物理和热力学。气体动理论是统计物理的一个方面，它以理想气体为研究对象，对大量分子运用统计方法，从而找出大量分子热运动所遵循的统计规律。6.1 分子运动轮和统计规律6.1.1 分子运动论的基本观点人们在大量实验事实的基础上，对物质的微观结构总结出了以下三个基本观点。宏观物体是由大量分子组成的，分子之间有空隙。分子处于不停息的、无规则的运动状态。分子之间存在着相互作用力。构成物质的单元包括原子、离子和分子等，由
2、于这些微粒做热运动时遵从的规律相同，所以统称分子。分子无规则运动的剧烈程度与物体的温度有关，温度越高，无规则运动越剧烈，因此，分子的无规则运动又称为热运动。分子之间同时存在着引力和斥力，这两种力的合力称为分子力，它们都与分子间的距离r有关。6.1 分子运动轮和统计规律6.1.1 分子运动论的基本观点6.1.2 统计规律性6.1 分子运动轮和统计规律统计规律：大量偶然随机事件的整体具有确定的规律性。满足统计规律性的前提是必须有大量的事件。参与的事件数目越多，规律性就越明显。一定量的气体中所包含的分子数是非常大的，虽然每个气体分子可能会以任意数值的速率运动，但对大量气体分子组成的整体来说，在一定温
3、度下，各种速率的分子数在所有分子中所占的比例却遵循着确定的统计规律。6.2 气体状态参量6.2.1 宏观态与微观态宏观量：在气体系统中，我们把描述大量分子集体特征的物理量，如气体的体积、压强和温度等；微观量：把描述单个分子特征的物理量，如分子的质量、大小、位置、速度、动量和动能等。大量分子集体所处的状态称为宏观态；由系统中所有分子的微观特征来确定的状态称为微观态。宏观量可用仪器直接测量；而微观量很难用仪器直接测量。6.2.2 平衡态6.2 气体状态参量容器中气体的密度、温度、压强等将处处相等，不再随时间发生变化，系统的这种状态称为平衡态。否则，称为非平衡态。系统处于平衡态时，虽然其宏观性质不再
4、随时间变化，但从微观角度看，组成系统的分子仍在不停地运动着，只不过大量分子运动的平均效果不随时间变化。因此，热学中的平衡是一种动态平衡，称为热动平衡。6.2.3 气体的状态参量6.2 气体状态参量1压强p6.2.3 气体的状态参量6.2 气体状态参量2体积V气体的体积V是指气体分子做无规则热运动时所能达到的空间范围，忽略气体分子的大小，容器的体积就是气体的体积。在国际单位制中，体积的单位为立方米。体积的单位也用升。6.2.3 气体的状态参量6.2 气体状态参量3温度T温度是表示物体冷热程度的参数。常用的温标有两种：热力学温标（绝对温标）T和摄氏温标t。热力学温标是最基本的温标。在国际单位制中，
5、热力学温度的单位为开尔文（K）。摄氏温标中，摄氏温度的单位为摄氏度（）。6.3 理想气体状态方程我们把在任何情况下都能严格遵守三条实验定律的气体称为理想气体。即玻意耳定律、盖吕萨克定律和查理定律，这三条定律是在温度不太低、压强不太大的实验条件下总结出来的。6.3 理想气体状态方程例题讲解 1，6.3 理想气体状态方程6.4 理想气体的压强和温度6.4.1 理想气体的微观模型1 分子本身的线度与分子间平均距离相比，可以忽略不计，故理想气体分子可看作质点，其运动遵循牛顿运动定律。2 除碰撞的瞬间外，分子之间以及分子与器壁之间都无相互作用，因此，两次碰撞之间，分子的运动可当作匀速直线运动。3 分子之
6、间以及分子与器壁之间的碰撞是完全弹性碰撞，遵守动量守恒定律和能量守恒定律。6.4.2 平衡态气体的统计假设6.4 理想气体的压强和温度气体处于平衡态时，就大量分子的集体统计平均来看，分子在空间的分布是均匀的，且分子向各个方向运动的机会是均等的。因此，对于平衡态气体系统中的大量分子，可作如下统计假设。（1）容器中单位体积内的分子数处处相等。（2）分子运动速度在各个方向上分量的平方平均值相等。6.4.3 理想气体的压强公式6.4 理想气体的压强和温度6.4.3 理想气体的压强公式6.4 理想气体的压强和温度6.4.3 理想气体的压强公式6.4 理想气体的压强和温度6.4.3 理想气体的压强公式6.
7、4 理想气体的压强和温度6.4.3 理想气体的压强公式6.4 理想气体的压强和温度6.4.4 理想气体的温度公式6.4 理想气体的压强和温度例题讲解 2，6.4 理想气体的压强和温度6.5 能量均分定理6.5.1 自由度自由度：是指确定物体在空间的位置所需的独立坐标数目。对气体分子而言，若忽略其本身的大小和结构，把它当作质点，则它只有上述的平动自由度。若考虑分子的大小和结构，则除平动自由度外，它还有相应的转动自由度和振动自由度。但通常分子内部的振动只有在高温下才显著，因此，在常温下，可把气体分子看作是刚性分子，不考虑其振动自由度。（1）单原子分子，如He，Ar等，可看作自由运动的质点，有三个平
8、动自由度。6.5 能量均分定理6.5.1 自由度6.5 能量均分定理6.5.1 自由度6.5.1 自由度6.5 能量均分定理6.5.2 能量均分定理6.5 能量均分定理6.5.2 能量均分定理6.5 能量均分定理6.5.2 能量均分定理6.6 理想气体的内能例题讲解 3，6.6 理想气体的内能例题讲解 3，6.6 理想气体的内能6.7 麦克斯韦速率分布律6.7.1 速率分布函数6.7 麦克斯韦速率分布律6.7.1 速率分布函数6.7.2 麦克斯韦速率分布律6.7 麦克斯韦速率分布律6.7.2 麦克斯韦速率分布律6.7 麦克斯韦速率分布律6.7.3 三种统计速率，1最概然速率6.7 麦克斯韦速率
9、分布律6.7.3 三种统计速率，1最概然速率6.7 麦克斯韦速率分布律6.7.3 三种统计速率，2平均速率6.7 麦克斯韦速率分布律6.7.3 三种统计速率，3方均根速率6.7 麦克斯韦速率分布律例题讲解 4，6.7 麦克斯韦速率分布律6.8 气体分子的平均碰撞频率和平均自由程6.8.1 平均碰撞频率6.8 气体分子的平均碰撞频率和平均自由程6.8.1 平均碰撞频率6.8 气体分子的平均碰撞频率和平均自由程6.8.1 平均碰撞频率6.8.2 平均自由程，1动能的定义6.8 气体分子的平均碰撞频率和平均自由程例题讲解 5，6.8 气体分子的平均碰撞频率和平均自由程例题讲解 5，6.8 气体分子的
10、平均碰撞频率和平均自由程本章小结1分子运动论和统计规律性，（1）分子运动论的基本观点为：宏观物体是由大量分子组成的，分子之间有空隙；分子处于不停息的、无规则的运动状态；分子之间存在着相互作用力。（2）大量偶然随机事件的整体具有确定的规律性，这种规律性称为统计规律。本章小结2理想气体状态方程，（1）大量分子集体所处的状态称为宏观态；由系统中所有分子的微观特征来确定的状态称为微观态。（2）容器中气体的密度、温度、压强等将处处相等，不随时间发生变化，系统的这种状态称为平衡态。（3）在热学中，用压强p、体积V和温度T来描述气体的状态，这三个物理量称为气体的状态参量。（4）理想气体的状态方程为 。MpVRT本章小结3理想气体的压强与温度，本章小结4能量均分定理与理想气体的内能，本章小结5麦克斯韦速率分布律，本章小结6气体分子的平均碰撞频率和平均自由程，Thanks大学物理
