7.3.1 温度的统计解释
Section titled “7.3.1 温度的统计解释”温度是一个热学中特有的物理量,它在宏观上表征了物质冷热状态的程度.那么温度的微观本质是什么呢? 可对理想气体状态方程进行改写.由
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解释
p V = frac MM _ mol R T得
p = frac NV · frac RN _ A T式中, N_(A)=6.022×10²3 mol⁻1 ,为阿伏伽德罗常量。令 k=fracRN_(A)=1.38×10⁻23 J/K ,k为玻尔兹曼常量,于是理想气体状态方程可改写为
p = n k T (7.3)现将压强公式(7.2)与式(7.3)比较,可得
overline w = frac 32 k T (7.4)式(7.4)给出了宏观量温度 T 与微观量的统计平均值 overlinew = 1/2 m overlinev² 之间的关系,揭示了温度的微观本质,即温度是气体分子平均平动动能的量度.分子的平均平动动能越大,也就是分子热运动的强度越剧烈,则温度就越高.分子的平均平动动能是大量分子的统计结果,是集体表现,对于个别或少量分子,说它们的温度是无意义的. 由式(7.4)可知,如果各种气体有相同的温度,则它们的分子平均平动动能均相等;如果一种气体的温度高些,则这一种气体分子的平均平动动能要大些.按照这个观点,热力学零度将是理想气体分子热运动停止时的温度,然而实际上分子运动是永远不会停息的,热力学零度也是永远不可能达到的.而且近代量子理论证实,即使达到热力学零度,组成固体点阵的粒子也还保持着某种振动的能量,称为零点能量.至于(实际)气体,则在温度未达到热力学零度以前,就已变成液体或固体了,式(7.4)也早就不适用了.
7.3.2 气体分子的方均根速率
Section titled “7.3.2 气体分子的方均根速率”根据气体分子平均平动动能与温度的关系式(7.4),可求出给定气体在一定温度下,分子运动速率平方的平均值。如果把该平方的平均值开方,就可得出气体速率的一种平均值,称为气体分子的方均根速率。 由
frac 12 m overline v ^ 2 = frac 32 k T有
sqrt v ^ 2 = sqrt frac 3 k Tm = sqrt frac 3 R TM _ mol (7.5)式中, Mₘol 是给定气体的摩尔质量。由式(7.5)可知,方均根速率和气体的热力学温度的平方根成正比,与气体的摩尔质量的平方根成反比。对于同一种气体,温度越高,方均根速率越大。在同一温度下,气体分子质量或摩尔质量越大,方均根速率越小。在0℃时,氢气分子的方均根速率为1830 m/s,氧气分子的方均根速率为461 m/s,氮气分子的方均根速率为491 m/s,空气分子的方均根速率为485 m/s。
