一、基本概念
1、平衡狀態(tài)
分子物理和熱力學(xué)中常把所研究的由大量分子組成的物體(氣體、液體或固體)稱(chēng)力學(xué)系統(tǒng)或簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)。
熱力學(xué)系統(tǒng)在條件不變(指與外界無(wú)能量交換、內(nèi)部無(wú)能量轉(zhuǎn)換，也無(wú)外力場(chǎng)作用)的情況下，宏觀性質(zhì)(指壓強(qiáng)P 、溫度 T、體積 V)不隨時(shí)間變化的那個(gè)狀態(tài)稱(chēng)氣體處于平衡狀態(tài)(或稱(chēng)熱動(dòng)平衡態(tài))。
2、平衡過(guò)程
當(dāng)系統(tǒng)和外界有能量交換時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化。系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)所經(jīng)歷的過(guò)程稱(chēng)為狀態(tài)變化過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程。如果在過(guò)程所經(jīng)歷的所有中間狀態(tài)都無(wú)限接近平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程就稱(chēng)為平衡過(guò)程。
3、狀態(tài)參量
為了描述熱力學(xué)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)的宏觀狀態(tài)，常用一些與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)的物理量作為描述狀態(tài)的變量(如體積、壓強(qiáng)、溫度等)，稱(chēng)為狀態(tài)參量。
① 壓強(qiáng):是氣體作用在容器壁單位面積上的垂直力，是大量氣體分子碰撞器壁的宏觀表現(xiàn)和平均效果。
1atm=1.013×105pa, 1cmHg=1.33×103pa
② 溫度:是大量氣體分子平均平動(dòng)動(dòng)能的量度，也是氣體分子熱運(yùn)動(dòng)激烈程度的量度。溫度的單位是開(kāi)爾文(代號(hào)K)，熱力學(xué)溫度T和攝氏溫度℃的關(guān) 系是：
T=t+273.15
③ 體積:是氣體分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的空間，而不是氣體分子本身的體積。對(duì)理想氣體來(lái)說(shuō)(忽略分子本身大小)，就是容器的容積。
4、氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)及其基本特征
所有物質(zhì)(包括氣體)的分子都在作永恒的、無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)與溫度有關(guān)，其運(yùn)動(dòng)的劇烈程度隨溫度而變化，所以稱(chēng)為分子的熱運(yùn)動(dòng)。
氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的基本特征在于氣體分子之間的頻繁碰撞，而在連續(xù)的兩次碰撞之間，可看做是由分子慣性支配的自由運(yùn)動(dòng)。單個(gè)分子的速度大小和方向，兩次碰撞之間所走過(guò)的自由路程的長(zhǎng)短都是不斷變化的。大量分子呈現(xiàn)一幅紛繁*的圖景，然而它們服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。
5、理想氣體的微觀模型
理想氣體可以看做是自由地、無(wú)規(guī)則地運(yùn)動(dòng)著的彈性球分子的集合。具體地說(shuō)：
1.氣體分子的大小與分子間的距離相比較可忽不計(jì)
2.遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律，每個(gè)分子的碰撞為完全彈性碰撞。
3.分子間的相互作用力、重力可忽略不計(jì)。
4.統(tǒng)計(jì)假設(shè)：氣體分子處于熱動(dòng)平衡態(tài)時(shí)，對(duì)大量氣體分子來(lái)講分子沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)均等(沒(méi)有哪個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)更占優(yōu)勢(shì))。因此，分子沿各個(gè)方向的分量的平均值相等。
6、氣體分子的自由度
決定某一物體在空間的位置所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)稱(chēng)為該物體的自由度。
單原子分子只有平動(dòng)，其自由度為i=3。剛性雙原子分子具有3個(gè)平動(dòng)自由度，2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，則其總的自由度為i=5。剛性三原子及以上分子有3個(gè)平動(dòng)自由度，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其總的自由度為i=6
7、理想氣體的內(nèi)能
氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能(包括平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)的動(dòng)能)和分子之間相互作用勢(shì)能的總和，稱(chēng)為氣體的內(nèi)能。
對(duì)于理想氣體，分子間的相互作用力可以忽略不計(jì)，所以相互作用的勢(shì)能也可忽略不計(jì)，故理想氣體的內(nèi)能就是分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的總和。
8、分子的平均碰撞次數(shù)和平均自由程
1、平衡狀態(tài)
分子物理和熱力學(xué)中常把所研究的由大量分子組成的物體(氣體、液體或固體)稱(chēng)力學(xué)系統(tǒng)或簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)。
熱力學(xué)系統(tǒng)在條件不變(指與外界無(wú)能量交換、內(nèi)部無(wú)能量轉(zhuǎn)換，也無(wú)外力場(chǎng)作用)的情況下，宏觀性質(zhì)(指壓強(qiáng)P 、溫度 T、體積 V)不隨時(shí)間變化的那個(gè)狀態(tài)稱(chēng)氣體處于平衡狀態(tài)(或稱(chēng)熱動(dòng)平衡態(tài))。
2、平衡過(guò)程
當(dāng)系統(tǒng)和外界有能量交換時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化。系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)所經(jīng)歷的過(guò)程稱(chēng)為狀態(tài)變化過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程。如果在過(guò)程所經(jīng)歷的所有中間狀態(tài)都無(wú)限接近平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程就稱(chēng)為平衡過(guò)程。
3、狀態(tài)參量
為了描述熱力學(xué)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)的宏觀狀態(tài)，常用一些與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)的物理量作為描述狀態(tài)的變量(如體積、壓強(qiáng)、溫度等)，稱(chēng)為狀態(tài)參量。
① 壓強(qiáng):是氣體作用在容器壁單位面積上的垂直力，是大量氣體分子碰撞器壁的宏觀表現(xiàn)和平均效果。
1atm=1.013×105pa, 1cmHg=1.33×103pa
② 溫度:是大量氣體分子平均平動(dòng)動(dòng)能的量度，也是氣體分子熱運(yùn)動(dòng)激烈程度的量度。溫度的單位是開(kāi)爾文(代號(hào)K)，熱力學(xué)溫度T和攝氏溫度℃的關(guān) 系是：
T=t+273.15
③ 體積:是氣體分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的空間，而不是氣體分子本身的體積。對(duì)理想氣體來(lái)說(shuō)(忽略分子本身大小)，就是容器的容積。
4、氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)及其基本特征
所有物質(zhì)(包括氣體)的分子都在作永恒的、無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)與溫度有關(guān)，其運(yùn)動(dòng)的劇烈程度隨溫度而變化，所以稱(chēng)為分子的熱運(yùn)動(dòng)。
氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的基本特征在于氣體分子之間的頻繁碰撞，而在連續(xù)的兩次碰撞之間，可看做是由分子慣性支配的自由運(yùn)動(dòng)。單個(gè)分子的速度大小和方向，兩次碰撞之間所走過(guò)的自由路程的長(zhǎng)短都是不斷變化的。大量分子呈現(xiàn)一幅紛繁*的圖景，然而它們服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。
5、理想氣體的微觀模型
理想氣體可以看做是自由地、無(wú)規(guī)則地運(yùn)動(dòng)著的彈性球分子的集合。具體地說(shuō)：
1.氣體分子的大小與分子間的距離相比較可忽不計(jì)
2.遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律，每個(gè)分子的碰撞為完全彈性碰撞。
3.分子間的相互作用力、重力可忽略不計(jì)。
4.統(tǒng)計(jì)假設(shè)：氣體分子處于熱動(dòng)平衡態(tài)時(shí)，對(duì)大量氣體分子來(lái)講分子沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)均等(沒(méi)有哪個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)更占優(yōu)勢(shì))。因此，分子沿各個(gè)方向的分量的平均值相等。
6、氣體分子的自由度
決定某一物體在空間的位置所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)稱(chēng)為該物體的自由度。
單原子分子只有平動(dòng)，其自由度為i=3。剛性雙原子分子具有3個(gè)平動(dòng)自由度，2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，則其總的自由度為i=5。剛性三原子及以上分子有3個(gè)平動(dòng)自由度，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其總的自由度為i=6
7、理想氣體的內(nèi)能
氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能(包括平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)的動(dòng)能)和分子之間相互作用勢(shì)能的總和，稱(chēng)為氣體的內(nèi)能。
對(duì)于理想氣體，分子間的相互作用力可以忽略不計(jì)，所以相互作用的勢(shì)能也可忽略不計(jì)，故理想氣體的內(nèi)能就是分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的總和。
8、分子的平均碰撞次數(shù)和平均自由程