2013年岩土工程师辅导：气体分子作热运动

　　一、基本概念

　　1、平衡状态

　　分子物理和热力学中常把所研究的由大量分子组成的物体(气体、液体或固体)称力学系统或简称系统。

　　热力学系统在条件不变(指与外界无能量交换、内部无能量转换，也无外力场作用)的情况下，宏观性质(指压强P 、温度 T、体积 V)不随时间变化的那个状态称气体处于平衡状态(或称热动平衡态)。

　　2、平衡过程

　　当系统和外界有能量交换时，系统的状态就会发生变化。系统从一个状态变化到另一个状态所经历的过程称为状态变化过程，简称过程。如果在过程所经历的所有中间状态都无限接近平衡状态，这个过程就称为平衡过程。

　　3、状态参量

　　为了描述热力学系统处于平衡状态时的宏观状态，常用一些与系统状态有关的物理量作为描述状态的变量(如体积、压强、温度等)，称为状态参量。

　　① 压强:是气体作用在容器壁单位面积上的垂直力，是大量气体分子碰撞器壁的宏观表现和平均效果。

　　1atm=1.013×105pa, 1cmHg=1.33×103pa

　　② 温度:是大量气体分子平均平动动能的量度，也是气体分子热运动激烈程度的量度。温度的单位是开尔文(代号K)，热力学温度T和摄氏温度℃的关 系是：

　　T=t+273.15

　　③ 体积:是气体分子热运动时所能达到的空间，而不是气体分子本身的体积。对理想气体来说(忽略分子本身大小)，就是容器的容积。

　　4、气体分子的热运动及其基本特征

　　所有物质(包括气体)的分子都在作永恒的、无规则的运动，这种运动与温度有关，其运动的剧烈程度随温度而变化，所以称为分子的热运动。

　　气体分子热运动的基本特征在于气体分子之间的频繁碰撞，而在连续的两次碰撞之间，可看做是由分子惯性支配的自由运动。单个分子的速度大小和方向，两次碰撞之间所走过的自由路程的长短都是不断变化的。大量分子呈现一幅纷繁动乱的图景，然而它们服从一定的统计规律。

　　5、理想气体的微观模型

　　理想气体可以看做是自由地、无规则地运动着的弹性球分子的集合。具体地说：

　　1.气体分子的大小与分子间的距离相比较可忽不计

　　2.遵循牛顿运动定律，每个分子的碰撞为完全弹性碰撞。

　　3.分子间的相互作用力、重力可忽略不计。

　　4.统计假设：气体分子处于热动平衡态时，对大量气体分子来讲分子沿各个方向运动的机会均等(没有哪个方向的运动更占优势)。因此，分子沿各个方向的分量的平均值相等。

　　6、气体分子的自由度

　　决定某一物体在空间的位置所需的独立坐标数称为该物体的自由度。

　　单原子分子只有平动，其自由度为i=3。刚性双原子分子具有3个平动自由度，2个转动自由度，则其总的自由度为i=5。刚性三原子及以上分子有3个平动自由度，3个转动自由度，其总的自由度为i=6

　　7、理想气体的内能

　　气体分子热运动的动能(包括平动、转动和振动的动能)和分子之间相互作用势能的总和，称为气体的内能。

　　对于理想气体，分子间的相互作用力可以忽略不计，所以相互作用的势能也可忽略不计，故理想气体的内能就是分子热运动动能的总和。

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