巖土工程師備考資料：氣體分子作熱運動

　　一、基本概念

　　1、平衡狀態(tài)

　　分子物理和熱力學中常把所研究的由大量分子組成的物體(氣體、液體或固體)稱力學系統(tǒng)或簡稱系統(tǒng)。

　　熱力學系統(tǒng)在條件不變(指與外界無能量交換、內(nèi)部無能量轉(zhuǎn)換，也無外力場作用)的情況下，宏觀性質(zhì)(指壓強P 、溫度 T、體積 V)不隨時間變化的那個狀態(tài)稱氣體處于平衡狀態(tài)(或稱熱動平衡態(tài))。

　　2、平衡過程

　　當系統(tǒng)和外界有能量交換時，系統(tǒng)的狀態(tài)就會發(fā)生變化。系統(tǒng)從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)所經(jīng)歷的過程稱為狀態(tài)變化過程，簡稱過程。如果在過程所經(jīng)歷的所有中間狀態(tài)都無限接近平衡狀態(tài)，這個過程就稱為平衡過程。

　　3、狀態(tài)參量

　　為了描述熱力學系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時的宏觀狀態(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、溫度等)，稱為狀態(tài)參量。

　?、?壓強: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

　?、?溫度:是大量氣體分子平均平動動能的量度，也是氣體分子熱運動激烈程度的量度。溫度的單位是開爾文(代號K)，熱力學溫度T和攝氏溫度℃的關(guān) 系是：

　　T=t+273.15

　?、?體積:是氣體分子熱運動時所能達到的空間，而不是氣體分子本身的體積。對理想氣體來說(忽略分子本身大小)，就是容器的容積。

　　4、氣體分子的熱運動及其基本特征

　　所有物質(zhì)(包括氣體)的分子都在作永恒的、無規(guī)則的運動，這種運動與溫度有關(guān)，其運動的劇烈程度隨溫度而變化，所以稱為分子的熱運動。

　　氣體分子熱運動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動。單個分子的速度大小和方向，兩次碰撞之間所走過的自由路程的長短都是不斷變化的。大量分子呈現(xiàn)一幅紛繁動亂的圖景，然而它們服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。

　　5、理想氣體的微觀模型

　　理想氣體可以看做是自由地、無規(guī)則地運動著的彈性球分子的集合。具體地說：

　　1.氣體分子的大小與分子間的距離相比較可忽不計

　　2.遵循牛頓運動定律，每個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。

　　4.統(tǒng)計假設(shè)：氣體分子處于熱動平衡態(tài)時，對大量氣體分子來講分子沿各個方向運動的機會均等(沒有哪個方向的運動更占優(yōu)勢)。因此，分子沿各個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立坐標數(shù)稱為該物體的自由度。

　　單原子分子只有平動，其自由度為i=3。剛性雙原子分子具有3個平動自由度，2個轉(zhuǎn)動自由度，則其總的自由度為i=5。剛性三原子及以上分子有3個平動自由度，3個轉(zhuǎn)動自由度，其總的自由度為i=6

　　7、理想氣體的內(nèi)能

　　氣體分子熱運動的動能(包括平動、轉(zhuǎn)動和振動的動能)和分子之間相互作用勢能的總和，稱為氣體的內(nèi)能。

　　對于理想氣體，分子間的相互作用力可以忽略不計，所以相互作用的勢能也可忽略不計，故理想氣體的內(nèi)能就是分子熱運動動能的總和。

　　8、分子的平均碰撞次數(shù)和平均自由程

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