气体动力学理论

分子运动论指出,所有物质都由原子或分子构成,而这些原子或分子不断地自由运动。这一假设与气体组成成分中原子或分子的状态相符。构成气体的原子或分子之间的吸引力很弱,因此它们可以自由运动。

运动时,原子或分子具有速度。原子或分子也具有质量。由于原子或分子具有质量 (m) 和速度 (v),因此它们具有动能 (KE) 和动量 (p)。动能:KE = 1/2 mv² 。动量:p = mv。除了动能和动量之外,还存在力 (F)。自由运动时,碰撞不可避免。因此,碰撞发生时,由于动量的变化,力会增加。动能、动量和冲量是我们讨论动力学(运动定律、冲量定律和动量定律)的核心。我们可以说,气体分子运动论将动力学应用于原子或分子层面。

理想气体概念(基于气体的宏观性质)

在讨论气体定律时,我们解释了描述真实气体宏观性质的三个物理量:温度 (T)、体积 (V) 和压力 (P)。这三个宏观物理量之间的关系分别由玻意耳定律、查理定律和盖-吕萨克定律阐述。需要注意的是,这三个定律仅适用于压力和密度(密度=质量/体积)不太大的真实气体,也仅适用于温度远低于沸点的真实气体。

玻意耳定律、查理定律和盖-吕萨克定律并非适用于所有实际气体条件,因此我们无法建立理想气体模型。理想气体在日常生活中并不存在;理想气体只是为了便于分析而构建的完美状态,就像理想刚体和理想流体一样。因此,我们认为玻意耳定律、查理定律和盖-吕萨克定律适用于所有理想气体条件。理想气体模型的存在有助于我们重新审视气体宏观量之间的关系。

理想气体定律可以用两个方程表示:PV = nRT(以摩尔数表示的理想气体定律)和 PV = NkT(以分子数表示的理想气体定律)。我们假设理想气体满足这两个方程。换句话说,理想气体定律适用于所有理想气体条件,无论理想气体的压力或质量多么巨大,或者温度多么接近沸点。相反,理想气体定律并不适用于所有实际气体条件。理想气体定律仅适用于实际气体的压力和密度不太大的情况,也仅适用于实际气体的温度不接近沸点的情况。基于以上简要描述,我们可以说,只有当实际气体的密度、压力和分子数与理想气体的密度相当时,实际气体才具有与理想气体相似的性质。

气体压力不太大,且实际气体温度不接近沸点。

上文对理想气体概念的描述主要基于宏观性质。尽管理想气体只是一个理想模型,但它仍然被认为是由自由运动的原子或分子组成的气体。因此,从微观角度探讨理想气体概念也很有意义。

理想气体概念(基于气体的微观性质)

以下是对理想气体微观条件的一些简要描述,这些描述基于气体动力学理论:

1. 理想气体由称为分子的粒子组成。理想气体分子可以包含一个或多个原子。每个分子都有质量 (m),并以特定的速率 (v) 向任意方向随机运动。

2. 分子间的距离大于分子的直径。

3. 这些分子遵循运动定律,并在碰撞发生时相互相互作用。

4. 分子与分子之间或分子与容器壁之间的碰撞是完美碰撞,每次碰撞都在很短的时间内发生。

在完美碰撞中,能量守恒定律(碰撞前的能量 = 碰撞后的能量)和动量守恒定律(碰撞前的动量 = 碰撞后的动量)都适用。

对气体动力学理论中的冲量碰撞进行回顾

回顾气体宏观量和微观量之间的定量关系。描述气体宏观性质的量包括温度(T)、体积(V)和压力(P)。而描述气体微观性质的量包括构成气体的原子或分子的速度(v)、动量(p)、力(F)和动能(EK)。

气体分子运动论 1我们来看一下封闭容器中的一些气体分子。盒子的边长为 l,横截面积为 A。

分子具有质量(m),运动时具有速度(v)。由于容器是封闭的,分子有可能与表面积为A的容器壁发生碰撞。

为了简化分析,我们仅考虑发生在左侧壁面(平行于z轴的壁面)上的碰撞。首先,我们讨论单个分子经历的碰撞。我们称该分子为分子1。分子质量为m1,运动速度为v1。向左运动方向为负,向右运动方向为正。

我们可以假设,在碰撞容器壁之前,分子运动方向平行于 x 轴,且运动方向向左。因此,速度在 x 轴上存在一个负分量(-v)。1x因为它有质量(m)。1)和速度(-v1x),该分子具有动量(p)。1 = -m1 v1x这是初始动量。当分子与墙壁碰撞时,分子会对墙壁施加一个作用力。由于存在作用力,墙壁会提供一个反作用力。墙壁的反作用力使分子向右运动。由于运动方向向右,分子的速度分量为正(v)。1x碰撞后分子的动量为 p。2 =米1 v1x这是最后的时刻。

碰撞引起的动量变化量为:

总动量 = 末动量 - 初动量

p 总和 = p 2 – p 1

p 总和 = m 1 v 1x – (-m 1 v 1x )

p 总计 = 2m 1 v 1x

2m 1 v 1x = 一次碰撞的总动量。由于分子碰撞是理想碰撞,因此碰撞并非只发生一次,而是反复发生。在理想碰撞中,能量守恒定律和动量守恒定律均适用。碰撞前的能量和动量等于碰撞后的能量和动量。因此,分子永远不会停止运动(能量无限)。分子速度也永远不会减小(动量持续存在)。

分子与左侧壁碰撞后,向右移动直至撞击右侧壁。撞击右侧壁后,分子向左移动并再次撞击左侧壁。由于盒子的边长为 l,因此分子第一次撞击左侧壁后,在第二次撞击左侧壁之前将移动 2l 的距离。移动 2l 的距离需要一定的时间间隔 ( Δt )。分子移动 2l 所需的时间间隔 ( Δt ) 可以用以下公式计算:

气体分子运动论 2

Δt 是每次碰撞之间的时间间隔。当分子撞击墙壁时,它会对墙壁施加一个作用力。由于这个作用力,墙壁会提供一个反作用力。这个反作用力的存在使得分子再次向右运动。在这种情况下,分子的运动方向发生了改变。最初,分子向左运动 (-v1x),撞击墙壁后,分子向右运动 (v1x ) 。运动方向的改变导致动量的变化(最终动量 – 初始动量 = m1v1x – ( -m1v1x ) = 2m1v1x ) 。我们可以说,动量的变化是由于墙壁施加的总力造成的。墙壁施加的总力的大小,用数学公式表示为:

气体分子运动论 3

上图中仅描述了一个分子。但这并不意味着图中只有一个气体分子。实际上,图中存在许多气体分子。图中所有气体分子所受的总作用力,用数学公式表示为:

F = F 1 + F 2 + F 3 + ….. + F n

F1 = 分子 1 的总力

F 2 = 分子 2 的总力

F 3 = 分子 3 的总力

……=等等

F n = 分子 4 的总力

n = 最后一个分子。

气体分子运动论 4

m1 = 分子量 1,m2 = 分子量 2,m3 = 分子量 3,mn = 最后一个分子的质量。m1 + 米2 + 米3 + ….. + mn = m(盒子中气体的质量)。l = 盒子的边长。

气体分子运动论 5

v <sub>12x</sub> = 分子 1 的速度,v <sub>22x</sub> = 分子 2 的速度,v <sub>33x</sub> = 分子 3 的速度,v <sub>n2x</sub> = 最后一个分子的速度。每个分子的速度各不相同,因此我们需要计算所有分子的平均速度。要计算分子的平均速度,我们可以将所有分子的速度除以分子数。在气体分子运动论中,分子数通常用符号 N 表示。所有分子的平均速度可以用数学公式表示为:

气体分子运动论 6

我们将方程b 与方程a结合起来:

气体分子运动论 7

F = 力,m = 气体质量,l = 盒子边长,N = 分子数。

在之前的解释中,我们假设分子的运动方向平行于 x 轴。做出这个假设是为了简化分析。实际上,盒子中的所有气体分子并非随机地沿任何方向运动。由于运动是随机的,除了在 x 轴方向上的平均速度分量外,分子在 y 轴或 z 轴方向上也具有平均速度分量。因此,气体分子的平均速度等于其在 x 轴、y 轴和 z 轴方向上的平均速度分量的总和。数学表达式为:

气体分子运动论 8气体分子运动论 8

由于分子运动是随机的,因此沿 x 轴、y 轴和 z 轴的速度分量大小相等。数学上来说:

气体分子运动论 9

我们将公式2与公式1结合起来:

气体分子运动论 10

我们将方程3与方程n c结合起来:

气体分子运动论 11

F = 气体分子对表面积为 A 的容器壁施加的力的大小。

压力 (P) 与微观尺度之间的关系

压力 (P) 是描述气体宏观性质的物理量。回顾基于气体微观性质的压力。气体分子作用于横截面积为 A 的壁面上的压力为:

气体分子运动论 12

P = 压强,N = 气体分子数,m = 质量,v = 分子平均速度,V = 容器体积

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