4.雖然氣體的壓強可以由實驗測定,但分子的平均平動動能卻無法直會測量,所以壓強公式是本能直接由實驗來驗證的。盡管如此,壓強公式在一定範圍內的正確性是不容置疑的,因為由這個公式所得到的結論能夠對氣體中的許多現象和規律作出圓滿解釋,並為實驗所證實。
【溫度公式】由理想氣體物態方程和壓強公式推導而來,上式又叫氣體分子的平均平動動能與溫度的關係,還有叫能量公式的。因為它揭示了溫度的微觀本質,所以叫溫度公式更為貼切。
溫度公式揭示了宏觀溫度的微觀本質。氣體分子的平均平動動能是微觀量統計平均值,而溫度直接與之相關,是分子熱運動平均平動動能的量度,即氣體分子無熱運動劇烈程度的標誌。由溫度公式可推知氣體分子的方均根速率
溫度這一宏觀量也具有統計意義,是大量分子熱運動的集體表現,對單個分子而言,溫度沒有意義。
【能量按自由度均分定理】在溫度為T的平衡態下,氣體分子的每一個自由度都具有相同的平均能量,這就是能量按自由度均分定理。應注意:
1.按自由度均勻分配的隻是分子的動能。因為理想氣體不考慮分子勢能。是分子的熱運動和碰撞導致了能量的傳遞,這種過程所傳遞的能量隻是動能,其中包括平動動能,轉動動能和振動動能。
2.能量按自由度均分,是對大量分子的統計平均而言,對於個別分子,其熱運動能量並不會按自由度均勻分配。
3.分子自由度是指規定分子在空間的位置所需要的獨立坐標數。應熟悉不同類型分子的自由度數目。
4.由能量均分定理,可求分子的平均總能量。因為每個分子的平均總動能為若把分子內部原子間的振動看作是簡諧振動,根據簡諧振動規律,原子問的振動勢能平均值與原子間振動動能平均值相等,而後氣體的內能從氣體動理論的觀點,係統的內能是係統內所有分子各種運動形式的動能和勢能的總和。其中動能包括分子的平均平動動能、轉動動能和振動動能;勢能包括分子內部原子間的振動勢能和分子之間與分子力有關的勢能。對於理想氣體,則可忽略其分子力的作用。
學習理想氣體內能時應注意:
1.內能不同於機械能。例如,靜止在地麵上的物體,其機械能為零,但其內能並不為零。
2.一定量的某種理想氣體,其確定之後,其內能隻由溫度決定,是溫度的單值函數。
3.注意區分分子的平均平動動能、平均動能和平均能量的概念,區分分子之間的相互作用的勢能和分子內原子之間相互作用的勢能等概念。
4.計算內能時,應先明確所考察的理想氣體分子的自由度數目。如題目不作特別說明,一般可按剛性分子處理。
速率分布律適用條件:大量分子構成的氣體係統且處子平衡態。若分子數目不足夠大,則“漲落現象”明顯,偏差大,.統計規律的結論將不成立。又若氣體係統處於非平衡態,該統計規律不成立。
由於氣體分子熱運動的無規律性,不能確定某個分子的速率值,隻能求在某個速率區間內找到分子的概率(或該區問內的分子數占總分子數的比率)。麥克斯韋速率分布律正是以此為出發點的。
速率分布函數不僅是速率的函數,還與溫度及氣體分子種類或有關。
速率分布函數的特性可以從速率分布曲線上形象地表現出來。
曲線形狀:起始於坐標原點,隨著速率的增大而迅速達到一極大值,然後迅速減小,隨著速率延伸到無限大而逐漸趨於零。
歸一化條件表現在圖線上是整個曲線下的麵積等於1。雖然對於不同氣體係統和不同的平衡態,曲線形狀略有差異,但都具有這一性質。
對於給定的氣體係統(m或n一定),隨著溫度的升高,大速率的分子數增加,則分布曲線將向右延伸,且峰值高度要下降。
而溫度相同時,分子質量越小的氣體,其速率分布曲線越偏向右方,且蜂值也越低,整個曲線越趨平緩。
速率分布函數可應用於計算在一定平衡態下氣體在某一速率區間內的分子數。利用它還可以求出氣體分子熱運動的三種特征速率,這一公式稱為玻耳茲曼分布律。
討論如下:
1.與麥克斯韋分布律比較,區別在於麥克斯韋分布律中沒:有考慮外力場的作用,氣體分子在空間的分布是均勻的;但若有外力場(保守力場)的影響,需計及分子的勢能,這時分子不僅:按速率有一定分布,而且在空間也呈某種不均勻分布,玻耳茲曼分布律就是根據這一情況給出了氣體分子按能量分布的統計規律。
2.玻耳茲曼分布律的另一種形式
分子按勢能的分布規律,是不考慮分子的不同速率,而隻考慮各種速率的分子在空間的分布時,對所有速率取積分而得的。
3.玻耳茲曼分布律作為一個普遍性的規律,對任何物質微粒在保守力場中的運動都成立。溫度為T的平衡態下,係統內微粒e子的狀態分布與粒子能量e有關。式中公因子e叫玻耳茲曼S子(概率因子),是規定分布的重要因素。該因子是能量的負指數函數,故能量越大的狀態區間內粒子數越少,按統計分布看,粒子總是優先占據低能量的狀態。
4.重力場中的氣體分子(或實物微粒)隨高度的分布有下式表達它是玻耳茲曼分布律的一個重要特例,又叫重力場中氣體分子(實物微粒)數密度公式。重力場中分子數密度隨高度的增加按指數減少,且分子質量越大,減小得越迅速,但溫度越高,減小得越緩慢。應該指出,上式隻適用於計算地球表麵附近的分子數密度。
【分子雄撞頻率與平均自由程】在單位時間內一個分子與其它分子碰撞的平均次數,叫做分子的平均碰撞頻率(或平均酸)。
上麵兩式也是反映處於平衡態下的氣體分子熱運動的統計規律,讀者應理解它們的統計意義,同時應注意:
以前所討論的係統都是理想氣體係統,即以不考慮分子大小為前提。但現在討論分子碰撞時,卻不能認為分子無大小,否則分子之間是不可能發生碰撞的,即得出碰撞次數為零、自由程無限大的錯誤結論。因此,現在應把氣體分子看成是具有一定.大小的剛性球,碰撞是彈性的。