分子物理学基础

1、分子物理学基础第1页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一 一 能从宏观和统计意义上理解压强、温度等 概念 。了解了解系统的宏观性质是微观运动的统计表现 ，了解统计方法。 二 掌握分子平均能量按自由度均分原理，会计算理想气体的内能。教学基本要求 三 理解麦克斯韦速度分布律、速率分布函数曲线的物理意义，理解“三种速率”的意义和求法，了解玻尔兹曼能量分布律。四 了解物质中三种迁移现象的概念、宏观规律等。五 了解液体的表面现象。第四章 分子物理学基础第2页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一2 气体的物态参量（宏观量）一、热力学系统1 系统与环境第一节 理想气体的压

2、强和温度3 平 衡 态 一定量的气体，在不受外界的影响下, 经过一定的时间, 系统达到一个稳定的, 宏观性质不随时间变化的状态称为平衡态 .（理想状态）真 空 膨 胀 气体压强 体积 温度第3页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一平衡态的特点*1）单一性（ 处处相等）;2）物态的稳定性 与时间无关；3）自发过程的终点；4）热动平衡（有别于力平衡）.第一节 理想气体的压强和温度第4页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一 物态方程：理想气体平衡态宏观参量间的函数关系 .摩尔气体常量对一定质量的同种气体理想气体物态方程理想气体宏观定义：遵守三个实验定律的气体 .理

3、想气体物态方程第一节 理想气体的压强和温度第5页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一第一节 理想气体的压强和温度二、理想气体的微观模型 1 分子可视为质点； 线度 间距 ；2 除碰撞瞬间, 分子间无相互作用力；4 分子的运动遵从经典力学的规律 3 弹性质点（碰撞均为完全弹性碰撞）；第6页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一2）分子各方向运动概率均等分子运动速度热动平衡的统计假设： 1）分子按位置的分布是均匀的 第一节 理想气体的压强和温度各方向运动概率均等 方向速度平方的平均值第7页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一三、理想气体的压强公式

4、第一节 理想气体的压强和温度单个分子对器壁的冲量：单个分子在 时间内对器壁的冲量： 设 边长为 的立方体中有 N 个全同的质量为 m 的气体分子，推导壁面所受压强 .N 个分子对器壁的平均冲力： 气体压强第8页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一 统计关系式压强的物理意义宏观可测量量微观量的统计平均值 压强的微观实质。 压强是大量分子对时间、对面积的统计平均结果 。 压强公式不能直接用实验验证。分子平均平动动能第一节 理想气体的压强和温度第9页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一玻尔兹曼常数宏观可测量量微观量的统计平均值分子平均平动动能 第一节 理想气体的压

5、强和温度四、理想气体的温度阿伏伽德罗定律温度 T 的物理意义：1） 温度是分子平均平动动能的量度；2）温度是大量分子的集体表现，个别分子无意义。 3）同一温度下，各种气体分子平均平动动能均相等。第10页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一（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.解 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，则它们讨 论第一节 理想气体的压强和温度第11页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一 例 理想气体体积为 V

6、，压强为 p ，温度为 T ,一个分子 的质量为 m ，k 为玻尔兹曼常量，R 为摩尔气体常量，则该理想气体的分子数为：（A） （B）（C） （D）解第一节 理想气体的压强和温度第12页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一一 、自由度数 第二节 能量按自由度均分原理决定一个物体空间位置所需要的独立坐标数。 单原子分子单原子分子的平均能量第13页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一 刚性双原子分子分子平均平动动能分子平均转动动能第二节 能量按自由度均分原理第14页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一分子平均振动能量分子平均能量非刚性分子平均能

7、量*C 非刚性双原子分子第二节 能量按自由度均分原理第15页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一 自由度数目 平动 转动 振动单原子分子 3 0 3双原子分子 3 2 5多原子分子 3 3 6刚性分子能量自由度分子自由度平动转动总第二节 能量按自由度均分原理第16页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一三 理想气体的内能 理想气体的内能 ：分子动能和分子内原子间的势能之和 . 1 mol 理想气体的内能 二 能量均分定理（玻尔兹曼假设） 气体处于平衡态时，分子任何一个自由度的平均能量都相等，均为 ，这就是能量按自由度均分定理 . 分子的平均能量第二节 能量按自

8、由度均分原理第17页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一 理想气体的内能 理想气体内能变化 定容摩尔热容 定压摩尔热容 摩尔热容比 第二节 能量按自由度均分原理例题：4-2第18页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一实验装置一 测定气体分子速率分布的实验金属蒸汽显示屏狭缝接抽气泵第三节 分子的速率第19页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一分子速率分布图：分子总数 为速率在 区间的分子数.表示速率在 区间的分子数占总数的百分比 .第三节 分子的速率第20页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一分布函数 表示速率在 区间的分子

9、数占总分子数的百分比 . 归一化条件 表示在温度为 的平衡状态下，速率在 附近单位速率区间 的分子数占总数的百分比 .物理意义第三节 分子的速率第21页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一速率位于 内分子数速率位于 区间的分子数速率位于 区间的分子数占总数的百分比第三节 分子的速率第22页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一麦氏分布函数二 麦克斯韦气体速率分布定律 反映理想气体在热动平衡条件下，各速率区间分子数占总分子数的百分比的规律 .第三节 分子的速率第23页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一三 三种统计速率1）最概然速率根据分布函数

10、求得 气体在一定温度下分布在最概然速率 附近单位速率间隔内的相对分子数最多 .物理意义第三节 分子的速率第24页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一2）平均速率第三节 分子的速率第25页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一3）方均根速率第三节 分子的速率第26页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一 同一温度下不同气体的速率分布 N2 分子在不同温度下的速率分布第三节 分子的速率第27页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一讨论 麦克斯韦速率分布中最概然速率 的概念 下面哪种表述正确？（A） 是气体分子中大部分分子所具有的速率

11、.（B） 是速率最大的速度值.（C） 是麦克斯韦速率分布函数的最大值.（D） 速率大小与最概然速率相近的气体分子的比 率最大.第三节 分子的速率第28页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一 例 计算在 时，氢气和氧气分子的方均根速率 .氢气分子氧气分子第三节 分子的速率第29页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一1）2） 例 已知分子数 ，分子质量 ，分布函数 求 1） 速率在 间的分子数； 2）速率在 间所有分子动能之和 . 速率在 间的分子数第三节 分子的速率第30页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一 例 如图示两条 曲线分别表示氢气

12、和氧气在同一温度下的麦克斯韦速率分布曲线， 从图上数据求出氢气和氧气的最可几速率 .2000第三节 分子的速率第31页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一 在许多实际问题中，气体常处于非平衡状态，气体内各部分的温度或压强不相等，或各气体层之间有相对运动等，这时气体内将有能量、质量或动量从一部分向另一部分定向迁移，这就是非平衡态下气体的迁移现象.粘滞现象 气体中各层间有相对运动时, 各层气体流动速度不同, 气体层间存在粘滞力的相互作用.第四节 物质中的迁移现象第32页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一气体层间的粘滞力 气体粘滞现象的微观本质是分子定向运动动量

13、的迁移 , 而这种迁移是通过气体分子无规热运动来实现的.AB 为粘度（粘性系数）第四节 物质中的迁移现象第33页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一二 热传导现象AB* 设气体各气层间无相对运动 , 且各处气体分子数密度均相同, 但气体内由于存在温度差而产生热量从温度高的区域向温度低的区域传递的现象叫作热传导现象. 气体热传导现象的微观本质是分子热运动能量的定向迁移, 而这种迁移是通过气体分子无规热运动来实现的. 称为热导率第四节 物质中的迁移现象第34页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一AB*三 扩散现象 自然界气体的扩散现象是常见的现象, 容器中不同气

14、体间的互相渗透称为互扩散; 同种气体因分子数密度不同, 温度不同或各层间存在相对运动所产生的扩散现象称为自扩散 . 为扩散系数第四节 物质中的迁移现象第35页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一 气体扩散现象的微观本质是气体分子数密度的定向迁移, 而这种迁移是通过气体分子无规热运动来实现的.AB*四 三种迁移系数 扩散系数 热导率 粘度（粘性系数）第四节 物质中的迁移现象第36页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一第五节 液体的表面现象 液体除了具有流体的一般特性外，它还有一个特殊的重要特性,即表面特性。液体与气体和固体相接触时都有一界面，处于界面的分子同时

15、受到同种分子以及气体或固体分子的作用力，因而产生一系列的特殊现象,称之为液体的表面现象。（The surface phenomena of liquid）第37页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一液体的表面如紧张的薄膜,存在着张力,有收缩成表面积最小的趋势,这种张力称为表面张力.（一）表面张力(surface tension)第五节 液体的表面现象一、表面张力和表面能第38页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一1. 分子间的平衡距离r01010m 。2. 短程力，有效作用距离d 109m。1.表面张力产生原因a)分子力特点:第五节 液体的表面现象b)模型受

16、力分析:表面层 d 液体表面层分子受到的合力指向液体内部， 表面处于一种特殊的张紧状态，宏观表现为一个被拉紧的弹性薄膜而具有表面张力。第39页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一c)实例分析:表面张力是沿着液体的表面与液面相切并且与分界线相垂直的。第五节 液体的表面现象2.表面张力的定义:公式:1）其中 表面张力系数,单位：N/m2）表面张力系数随温度、接触物质、液体性质的不同而有所不同。第40页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一表面张力系数与表面能的关系 外力作功表面能增量(二)表面能(surface energy)定义:增加单位液体表面积作的功,称为该

17、液体的表面能.单位: J/m2第五节 液体的表面现象l ABBCCDF第41页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一2.表面非活性物质 可使溶液表面张力增加的物质称为表面非活性物质二、表面活性物质与表面吸附 表面活性物质 溶液的表面张力随溶质而变,可使溶液表面张力减 少的物质称为表面活性物质. 3.表面吸附(surface adsorption) 把表面活性物质在溶液的表面层聚集并伸展成薄膜 的现象称表面吸附第五节 液体的表面现象第42页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一4.肺泡内表面活性物质的生理作用第五节 液体的表面现象第43页，共53页，2022年，5

18、月20日，9点57分，星期一液面的附加压强A B P0 P0 P0 P0 Ps+PsPsP0 P0 Ps三、弯曲液面的附加压强(一)静止液面的形式:第五节 液体的表面现象(二) 附加压强在弯曲液面上,由于表面张力,使液面上产生一个额外的压强。第44页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一球膜内的附加压强R2 R1 A BPc CPbPa 实例分析1：第五节 液体的表面现象第45页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一实例分析2：肥皂泡实验第五节 液体的表面现象第46页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一气体栓塞(air embolism) ppP左 P右 P左 P右 p液柱不动液柱不动液柱开始移动 当液体在毛细管中流动时，如果管中出现了气泡，液体的流动就要受到阻碍，气泡产生多了，就能堵住毛细管，使液体不能流动，这种现象称为气体栓塞现象.第五节 液体的表面现象第47页，共53页，2022年，5月20日，9点57分，星期一气体栓塞现象实例：1.给病人输液时,要特别注意不能在注射器 中留有气泡,以免在微血管中发生栓塞。2.潜水员从深水中上来,或病人和工作人员从 高压氧仓中出 来,都应有适当的缓冲时间, 否则在高压时溶于血液中的过量气体,在正 常压强下会迅速释放出来形成气泡,容