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气体动理论与热力学

大约 10 分钟


气体动理论

PV图

pvpv 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

  1. 重要常量

NA=6.02×1023mol1 N_A = 6.02 \times 10^{23} mol^{-1}

R=8.314J/(molK) R = 8.314 J / (mol·K)

k=RNA=1.38×1023J/K k = \frac{R}{N_A} = 1.38 \times 10 ^{-23} J / K

  1. 字母含义
    • ν\nu 物质的量
    • nn 单位体积的物质的分子数
  2. 理想气体状态方程

pV=νRT pV = \nu RT

p=nkT p = nkT

理想气体微观模型 P131

  1. 字母含义
    • εt\overline{\varepsilon _t} 一个气体分子的平均平动动能, 不包括震动, 旋转等动能
    • v2v\sqrt{\overline{v^2}} \neq \overline{v} 一个气体分子的方均根
    • mfm_f 一个气体分子的质量
  2. 模型

p=nmfvx2 \because p = nm_f\overline{v_x^2}

13v2=vx2=vy2=vz2 \frac{1}{3}\overline{v^2} = \overline{v_x^2} = \overline{v_y^2} = \overline{v_z^2}

p=13nmfv2 \therefore p=\frac{1}{3}nm_f\overline{v^2}

εt=12mfv2 \because \overline{\varepsilon _t} = \frac{1}{2}m_f\overline{v^2}

p=23nεt \therefore p = \frac{2}{3}n\overline{\varepsilon _t}

p=nkT \because p = nkT

εt=32kT \therefore \overline{\varepsilon _t} = \frac{3}{2}kT

\therefore 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

  1. 平动自由度 t=3t = 3
  2. 转动自由度 r=0(单原子)/2(双原子)/3(多原子)r = 0(\text{单原子})/2(\text{双原子})/3(\text{多原子})
  3. 振动自由度 s=0(单原子/刚性)/1(双原子非刚性)s = 0(\text{单原子}/\text{刚性})/1(\text{双原子非刚性})
  4. 自由度 i=t+r+si = 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

  1. 一个自由度的平均动能

ε=12kT \overline{\varepsilon} = \frac{1}{2}kT

  1. 气体分子的平均总动能

εk=i2kT \overline{\varepsilon_k} = \frac{i}{2}kT

  1. 气体分子的平均总势能

εp=s2kT \overline{\varepsilon_p} = \frac{s}{2}kT

  1. 气体分子的平均总能量

ε=εk+εp \overline{\varepsilon} = \overline{\varepsilon_k} + \overline{\varepsilon_p}

  1. 气体的总能量(为平均之和)(ν\nu 气体的物质的量)

E=i+s2νRT E = \frac{i + s}{2}\nu RT

麦克斯韦速率分布

dW=dNvN=f(v)dv=0 dW = \frac{dN_v}{N} = f(v)dv = 0

气体在一定速率区间内的概率

  1. 只求单个速率时

P(v)=f(v)dv=0 P(v) = f(v)dv = 0

  1. 当区间较小时(Δv<10m/s\Delta v < 10m/s)

P(v,v+Δv)f(v)Δv P(v,v+\Delta v) \approx f(v)\Delta v

  1. 一般情况下

P(v1,v2)=v1v2f(v)dv P(v_1,v_2) = \int^{v_2}_{v_1} f(v)dv

  1. 归一化条件(任何f均要满足的条件)

1=0f(v)dv 1 = \int^{\infty}_{0} f(v)dv

理想气体的特征速率

  1. 平均速率

v=8RTπM \overline{v} = \sqrt{\frac{8RT}{\pi M}}

  1. 最概然速率(出现在最概然速率附近的分子最多)

v=2RTM v = \sqrt{\frac{2 RT}{M}}

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

  1. 方均根速率

v2=3RTM \sqrt{\overline{v^2}} = \sqrt{\frac{3 RT}{M}}

  1. 计算与v有关的平均值

g(x)v1v2=v1v2g(v)f(v)dvv1v2f(v)dv \overline{g(x)}|^{v_2}_{v_1} = \frac{\int^{v_2}_{v_1}g(v)f(v)dv}{\int^{v_2}_{v_1}f(v)dv}

  1. 用于计算平均平动动能/平均能量

εt=12mfv2=32kT \overline{\varepsilon_t}=\frac{1}{2}m_f\overline{v^2}=\frac{3}{2}kT

  1. 注意, 即使两种气体的方均根速率相同(仅表明 T1M1=T2M2\frac{T_1}{M_1}=\frac{T_2}{M_2}), 由于平均平动动能与分子质量 mfm_f 有关, 因此平均平动动能依然不相同

dN=Nf(v)dv \because dN = N·f(v)dv

Ng(v)f(v)dv=g(v)dN \therefore N·g(v)f(v)dv = g(v)dN

Nv1v2g(v)f(v)dv=v2v1所有气体分子g(v)之和 \therefore N\int^{v_2}_{v_1}g(v)f(v)dv = v_2\text{到}v_1\text{所有气体分子}g(v)\text{之和}

Nv1v2=NP(v1,v2)=Nv1v2f(v)dv \because N|^{v_2}_{v_1} = N·P(v_1,v_2) = N·\int^{v_2}_{v_1} f(v)dv

g(x)v1v2=Nv1v2g(v)f(v)dvNv1v2=v1v2g(v)f(v)dvv1v2f(v)dv \therefore \overline{g(x)}|^{v_2}_{v_1} = \frac{N\int^{v_2}_{v_1}g(v)f(v)dv}{N|^{v_2}_{v_1}} = \frac{\int^{v_2}_{v_1}g(v)f(v)dv}{\int^{v_2}_{v_1}f(v)dv}

玻尔兹曼分布 P145

麦克斯韦速度分布

使用代换 (v\vec{v}可能指向任意方向, 即v\vec{v} ~ v+dv\vec{v} + d\vec{v}为一个球壳)

4πv2dv=dS=dvxdvydvz 4\pi v^2 dv= dS = dv_xdv_ydv_z

玻尔兹曼分布

考虑力场势能

n=n0exp[EpKT] n = n_0exp[-\frac{E_p}{KT}]

n0n_000 势点的分子数

dNr,vexp[EpKT] dN_{r, v} \propto exp[-\frac{E_p}{KT}]

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 dd 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 dd 柱体

dV=πd2vdt \because dV = \pi d^2 v'dt

分子平均碰撞频率  Z=ndVdt \text{分子平均碰撞频率}\;\overline{Z} = \frac{n dV}{dt}

v=2v  注意是平均速度 v' = \sqrt{2}\overline{v}\;\text{注意是平均速度}

Z=2πnvd2 \therefore \overline{Z} = \sqrt{2}\pi n\overline{v}d^2

平均自由程  λ=vZ=12πnd2=kT2πpd2 \text{平均自由程}\;\overline{\lambda} = \frac{\overline{v}}{\overline{Z}}=\frac{1}{\sqrt{2}\pi n d^2}=\frac{kT}{\sqrt{2}\pi pd^2}

λ\overline{\lambda}nn, d2d^2 成反比, nn, d2d^2 越大, 分子自由程越小, 越容易发生碰撞

运输现象 P148

  1. 动量的运输 粘性现象
  2. 能量的运输 热传导
  3. 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 = A + \Delta E

  1. QQ 热量, 当大于 00, 系统吸收热量;小于零, 系统放出热量.
    与过程有关, 是过程量
  2. AA 做功, 当大于 00, 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
  3. ΔE\Delta E 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 = \int pdV

AA 随不同的过程有不同的值 其中 VV 取微分
pp 变化但不动无功, 但 pp 可能与 VV 的变化有关, 不是常量.

理想气体的热容

  1. 等容热容 与 TT 无关
    VV 不变时, ΔA\Delta A = 0, Q=ΔEQ = \Delta E, E=νi2RTE = \nu \frac{i}{2}RT
    dQ=dE=νi2RdT=νCvdT\therefore dQ=dE=\nu \frac{i}{2}RdT=\nu C_vdT
    Cv=i2R\therefore C_v = \frac{i}{2}R
  2. 等压热容 P157 Cp=i2R+RC_p = \frac{i}{2}R + R
  3. 摩尔热容比

γ=CpCv=1+2i \gamma = \frac{C_p}{C_v} = 1 + \frac{2 }{i}

  1. 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 A = 0

Q=ΔE=νCvΔT Q = \Delta E = \nu C_v\Delta T

等压过程

气压不变, 带入理想气体状态方程

A=V1V2pdV=p(V2V1)=νR(T2T1)=νRΔT A=\int_{V_1}^{V_2}pdV=p(V_2-V_1)=\nu R(T_2-T_1)=\nu R\Delta T

Q=νCpΔT Q = \nu C_p\Delta T

ΔE\Delta E 只与初末状态有关

ΔE=QA=νCvΔT \Delta E = Q-A = \nu C_v\Delta T

等温过程

ΔE=0 \Delta E = 0

pV=νRT pV = \nu RT

Q=A=pdV=νRTdVV=νRTlnV2V1=νRTlnp1p2(pV=C) Q = A = \int pdV = \int \nu RT \frac{dV}{V} = \nu RT \ln\frac{V_2}{V_1} = \nu RT \ln\frac{p_1}{p_2}(pV=C)

绝热过程

Q=0 Q = 0

通过 ΔE=i2νRΔT\Delta E=\frac{i}{2}\nu R\Delta TpV=νRTpV = \nu RT 求解 注意 AA 前的负号

ΔE=A=i2vRΔT=i2(p2V2p1V1) \Delta E = - A = \frac{i}{2}vR\Delta T = \frac{i}{2}(p_2V_2 - p_1V_1)

通过泊松方程求解

pVγ=C pV^{\gamma} = C

A=pdV=CVγdV=CV1γ1γ=i2(p2V2p1V1) A = \int pdV = \int CV^{-\gamma}dV = \frac{CV^{1-\gamma}}{1 - \gamma} = -\frac{i}{2}(p_2V_2 - p_1V_1)

1γ=1(1+2i)=2i 1 - \gamma = 1 - (1 + \frac{2 }{i}) = -\frac{2 }{i}

泊松方程变形
结合 pV=νRTpV = \nu RT 可对泊松方程进行变形, 用于求解两个绝热过程间的关系

  1. TVγ1=CTV^{\gamma-1} = C'
  2. p1γTγ=Cp^{1-\gamma}T^{-\gamma} = C'' 根据 PP, TT, VV 哪两个已知使用, 各边形式的 CC 不同. 结合AB=CD=ACBD\frac{A}{B} = \frac{C}{D} = \frac{A - C}{B - D}联系两个绝热过程

循环过程 P166

  1. 正循环(要求能够回到原状态)
    • PVPV 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.
    • Q1Q_1 从高温热源吸热, 可以认为所有吸收的热量(Q>0Q>0)
    • Q2Q_2 从低温热源放热, 可以认为所有放出的热量(Q<0Q<0)
      • 要沿循环路径计算所有的 QQ, 即使 ΔA=0\Delta A=0
      • PV图面积的含义是A的大小, 与 QQ 无关
    • A=A1A2=闭合曲线包围的面积=A1+ΔE(A2+ΔE)=Q1Q2|A| = A_1-A_2 =\text{闭合曲线包围的面积} = A_1+\Delta E-(A_2+\Delta E) = Q_1 - Q_2
    • 热机效率 η=AQ1=1Q1Q2\eta = \frac{A}{Q_1} = 1 - \frac{Q_1}{Q_2}
    • 注意, 当 Q2Q_2 取负数时(沿循环方向积分) A=Q1+Q2A = Q_1 + Q_2
  2. 逆循环 (制冷机)
    • PVPV 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=Q2A\omega = \frac{Q_2}{A}
  3. 卡诺热机
    • 由两个绝热循环与两个等温循环组成
    • Q1=νRTalnV2V1 Q_1 = \nu RT_a \ln\frac{V_{2}}{V_{1}}

    Q2=νRTblnV4V3(Q2<0,沿循环方向积分,V4<V3) Q_2 = \nu RT_b \ln\frac{V_{4}}{V_{3}}(Q_2<0, \text{沿循环方向积分}, V_4<V_3)

    (绝热过程的泊松方程)TaV2γ1=TbV3γ1TaV1γ1=TbV4γ1 \because(\text{绝热过程的泊松方程})\\ T_aV_2^{\gamma-1}=T_bV_3^{\gamma-1}\\T_aV_1^{\gamma-1}=T_bV_4^{\gamma-1}

    V2V1=V3V4 \therefore \frac{V_{2}}{V_{1}} =\frac{V_{3}}{V_{4}}

    A=Q1Q2=νR(TaTb)lnV2V1 A = Q_1 - |Q_2| = \nu R(T_a - T_b) ln\frac{V_{2}}{V_{1}}

    η=AQ1=TaTbTa \eta = \frac{A}{Q_1} = \frac{T_a-T_b}{T_a}

    • 绝热过程 Q=0Q=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 PVPV 图上表示

  1. 功可以自发地转化为热.
  2. 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).
  3. 高温热源可以自动将热传向低温热源.
  4. 低温热源再将热传向高温热源时, 还要有外界做功.
  5. 气体可以自由膨胀, 不能自动压缩.

热力学第二定律

  1. 一切与热现象有关的实际宏观过程均不可逆
  2. 各种宏观实际过程相互等价
  3. \to 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=1T1T2=1Q1Q2 \eta _\text{可} = 1 - \frac{T_1}{T_2}=1-\frac{Q_1}{Q_2}

规定 QnQ_n 为过程中从热源吸收的热量, Q2Q_2 取负值(上式中, Q2Q_2 为向低温热源放出的热量, 为正值)

Q1T1+Q2T2=0dQT=0LdQT与路径无关 \therefore \frac{Q_1}{T_1}+\frac{Q_2}{T_2}=0\to \oint\frac{dQ}{T}=0\to \int_L\frac{dQ}{T}\text{与路径无关}

η不可=1Q1Q2<1T1T2 \eta _\text{不可}=1 - \frac{Q_1}{Q_2} < 1 - \frac{T_1}{T_2}

Q1T1+Q2T2<0dQT<0L不可逆dQT<L可逆dQT \therefore \frac{Q_1}{T_1}+\frac{Q_2}{T_2}<0\to\oint\frac{dQ}{T}<0\to\int_{L_{\text{不可逆}}}\frac{dQ}{T}<\int_{L_{\text{可逆}}}\frac{dQ}{T}

熵增加原理

熵定义

dS=dQT dS=\frac{dQ}{T}

其中 TT 为热源温度
对于两个状态 1(p1,V1),2(p2,V2)1(p_1,V_1), 2(p_2,V_2) 沿任意可逆过程

S2S1=12dQT S_2-S_1=\int_1^2\frac{dQ}{T}

L不可逆dQT<L可逆dQT \because \int_{L_{\text{不可逆}}}\frac{dQ}{T}<\int_{L_{\text{可逆}}}\frac{dQ}{T}

L不可逆dQT<S2S1dQT<dS(不可逆过程) \therefore \int_{L_{\text{不可逆}}}\frac{dQ}{T}<S_2-S_1\to\frac{dQ}{T}<dS(\text{不可逆过程})

\therefore 无法直接使用不可逆过程的 L不可逆dQT\int_{L_{\text{不可逆}}}\frac{dQ}{T} 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=00=dQTdS dQ_\text{总}=0\to0=\frac{dQ_\text{总}}{T}\le dS

因此孤立系统的熵总是不断增加的

注意

  1. dS=dQTdS = \frac{dQ}{T} TT 为热源温度
  2. 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T_{\text{热源}} \approx T_{\text{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

  1. 热源 TT 不变, 通过吸热源的 QQ 求得 S=QTS = \frac{Q}{T}
  2. 固液体 dQ=mcdTTdQ = mc\frac{dT}{T} TT 假设为系统温度
  3. 机械能 dQ=0,S=0dQ = 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 QQ, 曲线的面积表示 AA