气体动理论
PV图
pv 图上的每一点都可视为一个平衡态, 一条曲线构成一个准静态过程. 非静态过程(不可逆), 不能用过程曲线表示.
理想气体状态方程 P129
- 重要常量
NA=6.02×1023mol−1
R=8.314J/(mol⋅K)
k=NAR=1.38×10−23J/K
- 字母含义
- ν 物质的量
- n 单位体积的物质的分子数
- 理想气体状态方程
pV=νRT
p=nkT
理想气体微观模型 P131
- 字母含义
- εt 一个气体分子的平均平动动能, 不包括震动, 旋转等动能
- v2=v 一个气体分子的方均根
- mf 一个气体分子的质量
- 模型
∵p=nmfvx2
31v2=vx2=vy2=vz2
∴p=31nmfv2
∵εt=21mfv2
∴p=32nεt
∵p=nkT
∴εt=23kT
∴ 理想气体分子的平动动能仅与温度有关
理想气体的内能 P135
自由度
- 平动自由度 t=3
- 转动自由度 r=0(单原子)/2(双原子)/3(多原子)
- 振动自由度 s=0(单原子/刚性)/1(双原子非刚性)
- 自由度 i=t+r+s
一个气体分子的平均总能量
根据能量均分定理, 各自由度动能相同
- 一个自由度的平均动能
ε=21kT
- 气体分子的平均总动能
εk=2ikT
- 气体分子的平均总势能
εp=2skT
- 气体分子的平均总能量
ε=εk+εp
- 气体的总能量(为平均之和)(ν 气体的物质的量)
E=2i+sνRT
麦克斯韦速率分布
dW=NdNv=f(v)dv=0
气体在一定速率区间内的概率
- 只求单个速率时
P(v)=f(v)dv=0
- 当区间较小时(Δv<10m/s)
P(v,v+Δv)≈f(v)Δv
- 一般情况下
P(v1,v2)=∫v1v2f(v)dv
- 归一化条件(任何f均要满足的条件)
1=∫0∞f(v)dv
理想气体的特征速率
- 平均速率
v=πM8RT
- 最概然速率(出现在最概然速率附近的分子最多)
v=M2RT
表现为f(x)的最大值 可得, T相同时, 摩尔质量M越大,最概然速率越小 M相同时, T越大,最概然速率越大
- 方均根速率
v2=M3RT
- 计算与v有关的平均值
g(x)∣v1v2=∫v1v2f(v)dv∫v1v2g(v)f(v)dv
- 用于计算平均平动动能/平均能量
εt=21mfv2=23kT
- 注意, 即使两种气体的方均根速率相同(仅表明 M1T1=M2T2), 由于平均平动动能与分子质量 mf 有关, 因此平均平动动能依然不相同
∵dN=N⋅f(v)dv
∴N⋅g(v)f(v)dv=g(v)dN
∴N∫v1v2g(v)f(v)dv=v2到v1所有气体分子g(v)之和
∵N∣v1v2=N⋅P(v1,v2)=N⋅∫v1v2f(v)dv
∴g(x)∣v1v2=N∣v1v2N∫v1v2g(v)f(v)dv=∫v1v2f(v)dv∫v1v2g(v)f(v)dv
玻尔兹曼分布 P145
麦克斯韦速度分布
使用代换 (v可能指向任意方向, 即v ~ v+dv为一个球壳)
4πv2dv=dS=dvxdvydvz
玻尔兹曼分布
考虑力场势能
n=n0exp[−KTEp]
n0 为 0 势点的分子数
dNr,v∝exp[−KTEp]
公式表明, 考虑力场后, 在同一区域势能越大, 分子数越少.
分子的平均自由程 P146
将一个气体分子考虑成一个直径为 d 的球体, 其他分子静止, 运动路径中可能发生碰撞的空间为一个半径为 d 柱体
∵dV=πd2v′dt
分子平均碰撞频率Z=dtndV
v′=2v注意是平均速度
∴Z=2πnvd2
平均自由程λ=Zv=2πnd21=2πpd2kT
λ 与 n, d2 成反比, n, d2 越大, 分子自由程越小, 越容易发生碰撞
运输现象 P148
- 动量的运输 粘性现象
- 能量的运输 热传导
- 质量的运输 扩散 能量高的区域有更多分子移向能量低的区域, 能量低的区域移向能量高的区域的分子较少.
热力学
热力学第一定律 P154
Q=A+ΔE
- Q 热量, 当大于 0, 系统吸收热量;小于零, 系统放出热量.
与过程有关, 是过程量 - A 做功, 当大于 0, 系统对外做功;小于零, 外界对系统做功.
与过程有关, 是过程量 - ΔE 内能的变化量, 理想气体下, 与温度的变化相关.
内能的变化量仅与初末状态有关, 是状态量
功表达式
A=∫pdV
A 随不同的过程有不同的值 其中 V 取微分
p 变化但不动无功, 但 p 可能与 V 的变化有关, 不是常量.
理想气体的热容
- 等容热容 与 T 无关
V 不变时, ΔA = 0, Q=ΔE, E=ν2iRT
∴dQ=dE=ν2iRdT=νCvdT
∴Cv=2iR - 等压热容 P157 Cp=2iR+R
- 摩尔热容比
γ=CvCp=1+i2
- 其他情况 对于液体与固体等不适用上方的公式, 且在融化或气化时会吸收额外的热量.
理想气体过程
等容过程
A=0
Q=ΔE=νCvΔT
等压过程
气压不变, 带入理想气体状态方程
A=∫V1V2pdV=p(V2−V1)=νR(T2−T1)=νRΔT
Q=νCpΔT
ΔE 只与初末状态有关
ΔE=Q−A=νCvΔT
等温过程
ΔE=0
pV=νRT
Q=A=∫pdV=∫νRTVdV=νRTlnV1V2=νRTlnp2p1(pV=C)
绝热过程
Q=0
通过 ΔE=2iνRΔT 与 pV=νRT 求解 注意 A 前的负号
ΔE=−A=2ivRΔT=2i(p2V2−p1V1)
通过泊松方程求解
pVγ=C
A=∫pdV=∫CV−γdV=1−γCV1−γ=−2i(p2V2−p1V1)
1−γ=1−(1+i2)=−i2
泊松方程变形
结合 pV=νRT 可对泊松方程进行变形, 用于求解两个绝热过程间的关系
- TVγ−1=C′
- p1−γT−γ=C′′ 根据 P, T, V 哪两个已知使用, 各边形式的 C 不同. 结合BA=DC=B−DA−C联系两个绝热过程
循环过程 P166
- 正循环(要求能够回到原状态)
- PV 图上循环线方向为顺时针方向
- 从高温热源吸热, 一部分移向低温热源, 一部分对外做功.
- Q1 从高温热源吸热, 可以认为所有吸收的热量(Q>0)
- Q2 从低温热源放热, 可以认为所有放出的热量(Q<0)
- 要沿循环路径计算所有的 Q, 即使 ΔA=0
- PV图面积的含义是A的大小, 与 Q 无关
- ∣A∣=A1−A2=闭合曲线包围的面积=A1+ΔE−(A2+ΔE)=Q1−Q2
- 热机效率 η=Q1A=1−Q2Q1
- 注意, 当 Q2 取负数时(沿循环方向积分) A=Q1+Q2
- 逆循环 (制冷机)
- PV 图上循环线方向为逆时针方向
- 从低温热源吸热, 外界对工质做功, 向高温热源放热.
- 制冷系数 区别于热机效率 ω=AQ2
- 卡诺热机
Q2=νRTblnV3V4(Q2<0,沿循环方向积分,V4<V3)
∵(绝热过程的泊松方程)TaV2γ−1=TbV3γ−1TaV1γ−1=TbV4γ−1
∴V1V2=V4V3
A=Q1−∣Q2∣=νR(Ta−Tb)lnV1V2
η=Q1A=TaTa−Tb
- 绝热过程 Q=0 不用计算
- 与工质, 体积等无关.
热力学第二定律 P172
不可逆过程
无法在 PV 图上表示
- 功可以自发地转化为热.
- 热在由高温热源转化为功的同时, 还要向低温热源传热(或产生其他变化).
- 高温热源可以自动将热传向低温热源.
- 低温热源再将热传向高温热源时, 还要有外界做功.
- 气体可以自由膨胀, 不能自动压缩.
热力学第二定律
- 一切与热现象有关的实际宏观过程均不可逆
- 各种宏观实际过程相互等价
- → 当其中一种可逆, 将推出所有过程都可逆
卡诺定理
卡诺定理为理想状况下, 效率最高, 与外界无关的热机, 有
η可=1−T2T1=1−Q2Q1
规定 Qn 为过程中从热源吸收的热量, Q2 取负值(上式中, Q2 为向低温热源放出的热量, 为正值)
∴T1Q1+T2Q2=0→∮TdQ=0→∫LTdQ与路径无关
η不可=1−Q2Q1<1−T2T1
∴T1Q1+T2Q2<0→∮TdQ<0→∫L不可逆TdQ<∫L可逆TdQ
熵增加原理
熵定义
dS=TdQ
其中 T 为热源温度
对于两个状态 1(p1,V1),2(p2,V2) 沿任意可逆过程有
S2−S1=∫12TdQ
∵∫L不可逆TdQ<∫L可逆TdQ
∴∫L不可逆TdQ<S2−S1→TdQ<dS(不可逆过程)
∴ 无法直接使用不可逆过程的 ∫L不可逆TdQ 计算熵变, 但可以根据不可逆过程的初末状态设计对应的可逆过程, 计算系统的熵变
熵增加
在绝热(孤立)系统中, 对任何过程成立, 有
dQ总=0→0=TdQ总≤dS
因此孤立系统的熵总是不断增加的
注意
- 熵 dS=TdQ T 为热源温度
- 理想气体的可逆过程的熵仅与初末状态有关, 且 T热源≈T系统 (可逆过程中, 各种状态的变化极小)
非绝热系统熵的计算
通过初状态与末状态, 设计等容/等压/等温过程
非气体熵的计算
- 热源 T 不变, 通过吸热源的 Q 求得 S=TQ
- 固液体 dQ=mcTdT T 假设为系统温度
- 机械能 dQ=0,S=0
温熵图
温熵图的一条曲线与坐标轴围成的面积表示 Q, 曲线的面积表示 A