理想 りそう 单原子 げんし 分子 ぶんし 气体的 てき 温度 おんど 是 ぜ 其分子 ぶんし 的 てき 平均 へいきん 动能 的 まと 量 りょう 度 ど 。
分子 ぶんし 运动论 (英語 えいご :kinetic theory of gases ,又 また 稱 たたえ 气体动力论 )是 ぜ 描述气体为大量 りょう 做永不 ふ 停 とま 息 いき 的 てき 随 ずい 机 つくえ 运动的 てき 粒子 りゅうし (原子 げんし 或 ある 分子 ぶんし ,物理 ぶつり 学 がく 上 じょう 一般 いっぱん 不 ふ 加 か 区分 くぶん ,都 と 称 しょう 作 さく 分子 ぶんし )。快速 かいそく 运动的 てき 分子 ぶんし 不断 ふだん 碰撞其他分子 ぶんし 或 ある 容器 ようき 的 てき 壁 かべ 。分子 ぶんし 运动理 り 论就是 ぜ 通 どおり 过分子 ぶんし 的 てき 成分 せいぶん 和 わ 运动来 らい 解 かい 释气体 たい 的 てき 宏 ひろし 观性质,如压强 、温度 おんど 、体 からだ 积等 ひとし 。分子 ぶんし 運 うん 动理论认为,压强不 ふ 是 ぜ 如牛 うし 顿 猜想的 てき 那 な 样,来 らい 自分 じぶん 子 こ 之 の 间的静 せい 态排斥 はいせき ,而是来 き 自 じ 以不同 どう 速度 そくど 做热运动 的 てき 分子 ぶんし 之 の 间的碰撞。
分子 ぶんし 的 てき 体 からだ 积很小 しょう ,不能 ふのう 直接 ちょくせつ 观察。显微镜下花粉 かふん 迸 ほとばし 裂 きれ 出 で 之 の 微粒 びりゅう 做的无规则运动——布 ぬの 朗 ろう 运动 ,是 ぜ 分子 ぶんし 碰撞的 てき 直接 ちょくせつ 结果,可 か 以作为分子 ぶんし 存在 そんざい 的 てき 间接证据。
理想 りそう 气体动理论建立 こんりゅう 在 ざい 如下假 かり 设之上 じょう :
气体由 よし 大量 たいりょう 微小 びしょう 粒子 りゅうし 组成,这些微小 びしょう 粒子 りゅうし 称 しょう 之 の 为分子 こ 。分子 ぶんし 之 の 间的距离远大于自身 じしん 的 てき 大小 だいしょう 。
所有 しょゆう 分子 ぶんし 都 と 具有 ぐゆう 相 しょう 同 どう 的 てき 质量。
分子 ぶんし 数量 すうりょう 巨大 きょだい ,可 か 以进行 ぎょう 统计 处理。
分子 ぶんし 做着不 ふ 息 いき 的 てき 快速 かいそく 的 てき 随 ずい 机 つくえ 运动。
分子 ぶんし 不断 ふだん 彼此 ひし 碰撞,或 ある 与 あずか 容器 ようき 器 き 壁 かべ 进行碰撞,这些碰撞都 と 是 ぜ 弹性碰撞。
除 じょ 了 りょう 碰撞之 の 外 そと ,分子 ぶんし 之 の 间的相互 そうご 作用 さよう 可 か 以忽略 りゃく 。
气体分子 ぶんし 平均 へいきん 动能只 ただ 依 よ 赖于系 けい 统温度 ど 。
分子 ぶんし 与 あずか 容器 ようき 器 き 壁 かべ 的 てき 碰撞时间远远小 しょう 于两次 じ 碰撞间隔时间。
分子 ぶんし 具有 ぐゆう 质量,会 かい 受到万有引力 ばんゆういんりょく 的 てき 影 かげ 响。
分子 ぶんし 动力学 がく 的 てき 现代理 だいり 论建立 こんりゅう 在 ざい 波 なみ 尔兹曼方程 ほど 的 てき 基 もと 础之上 じょう ,对以上 じょう 假 かり 设有所 しょ 放 ひ 宽,并将分子 ぶんし 体 たい 积考虑进去 さ ,因 いん 此可以精确描述 じゅつ 稠密 ちゅうみつ 气体。分子 ぶんし 动力学 がく 的 てき 现代理 だいり 论仍然 しか 要 よう 考 こう 虑的假 かり 设有,分子 ぶんし 混沌 こんとん 性 せい 假 かり 设,忽 ゆるがせ 略 りゃく 量子 りょうし 效 こう 应。如果气体比 ひ 较稠密 ちゅうみつ ,本体 ほんたい 性 せい 质只有 ゆう 小 しょう 的 てき 梯 はしご 度 ど ,可 か 以应用 よう 维里展 てん 开 的 てき 方法 ほうほう 研究 けんきゅう ,这方面 ほうめん 的 てき 理 り 论参见查普 ひろし 曼和恩 おん 斯克格 かく 的 てき 专著。[ 1] 对于稀薄 きはく 气体,本体 ほんたい 性 せい 质的梯 はしご 度 ど 与 あずか 分子 ぶんし 的 てき 平均 へいきん 自由 じゆう 程 ほど 相 そう 比 ひ 较,这种情 じょう 况叫克 かつ 努 つとむ 森 もり 区 く ,可 か 以对克 かつ 努 つとむ 森 もり 数 すう 展 てん 开来研究 けんきゅう 。
《流体 りゅうたい 力学 りきがく 》封 ふう 面 めん
人 ひと 类早在 ざい 公 おおやけ 元 もと 前 まえ 5世 せい 纪就开始思考 しこう 物 ぶつ 质的结构问题。古希 こき 腊 时期著名 ちょめい 的 てき 朴 ほお 素 もと 唯物 ゆいぶつ 主 ぬし 义哲学 がく 家 か 德 とく 谟克利 り 特 とく 就提出 ていしゅつ ,物 もの 质是由 よし 不可分 ふかぶん 的 てき 原子 げんし 构成的 てき 。这种思想 しそう 在 ざい 数 すう 个世纪都深刻 しんこく 的 てき 影 かげ 响着人 じん 们的世界 せかい 观。17世 せい 纪科學 かがく 革命 かくめい 以来 いらい ,自然 しぜん 科学 かがく 得 え 到 いた 了 りょう 突飞猛 もう 进的进步,特 とく 别是热力学 がく 的 てき 突破 とっぱ 性 せい 发展,使 つかい 人 じん 们重新 しん 思考 しこう 物 ぶつ 质的结构问题。皮 かわ 埃 ほこり 爾 なんじ ·伽 とぎ 桑 くわ 狄 、罗伯特 とく ·胡 えびす 克 かつ 、伯 はく 努 つとむ 利 り 等 とう 科学 かがく 家 か 的 てき 研究 けんきゅう 表明 ひょうめい ,物 もの 质的液体 えきたい 、固体 こたい 、气体 三种状态的转变是因为分子之间作用的结果,特 とく 别是气体的 てき 压力源 げん 于气体 たい 分子 ぶんし 与 あずか 器 うつわ 壁 かべ 碰撞,从而导出了 りょう 玻意耳 みみ -马略特定 とくてい 律 りつ 。
1738年 ねん ,丹 たん 尼 に 尔·伯 はく 努 つとむ 利 り 发表著作 ちょさく 《流体 りゅうたい 力学 りきがく 》,为气体 たい 动力论的基 もと 础。在 ざい 这一著作 ちょさく 中 ちゅう ,伯 はく 努 つとむ 利 り 提出 ていしゅつ ,气体是 ぜ 由 よし 大量 たいりょう 向 こう 各 かく 个方向 ほうこう 运动的 てき 分子 ぶんし 组成的 てき ,分子 ぶんし 对表面 めん 的 てき 碰撞就是气压的 てき 成因 せいいん ,热就是 ぜ 分子 ぶんし 运动的 てき 动能。但 ただし 是 ぜ ,伯 はく 努 つとむ 利 り 的 てき 观点并没有 ゆう 被 ひ 立 だて 即 そく 接受 せつじゅ ,部分 ぶぶん 原因 げんいん 是 ぜ ,能 のう 量 りょう 守恒 もりつね 定律 ていりつ 当 とう 时还没 ぼつ 有 ゆう 建立 こんりゅう ,分子 ぶんし 之 の 间为弹性碰撞也不是 ぜ 那 な 么显而易见。1744年 ねん 罗蒙诺索夫 おっと 第 だい 一次明确提出热现象是分子无规则运动的表现,并把機械 きかい 能 のう 守恆 もりつね 定律 ていりつ 应用到 いた 了 りょう 分子 ぶんし 运动的 てき 热现象 ぞう 中 ちゅう 。1856年 ねん ,奥 おく 古 こ 斯特·克 かつ 罗尼格 かく 提出 ていしゅつ 了 りょう 一个简单的气体动力论,他 た 只 ただ 考 こう 虑了分子 ぶんし 的 てき 平 ひら 动。[ 2]
1857年 ねん ,克 かつ 劳修斯提出 ていしゅつ 一个更复杂的气体动力论,除 じょ 了 りょう 分子 ぶんし 的 てき 平 ひら 动,他 た 还考虑了分子 ぶんし 的 てき 转动和 わ 振 ふ 动。他 た 还引入 にゅう 了 りょう 平均 へいきん 自由 じゆう 程 ほど 的 てき 概念 がいねん 。[ 3] 1859年 ねん ,麦 むぎ 克 かつ 斯韦在 ざい 克 かつ 劳修斯工作 こうさく 的 てき 基 もと 础上,提出 ていしゅつ 了 りょう 分子 ぶんし 麦 むぎ 克 かつ 斯韦速度 そくど 分布 ぶんぷ 率 りつ 。这是物理 ぶつり 学 がく 史上 しじょう 第 だい 一个统计定律。[ 4] 1871年 ねん ,玻尔兹曼 推广了 りょう 麦 むぎ 克 かつ 斯韦的 てき 工作 こうさく ,提出 ていしゅつ 了 りょう 麦 むぎ 克 かつ 斯韦–玻尔兹曼分布 ぶんぷ 。[ 5] :36-37
直 ちょく 到 いた 20世 せい 纪初,很多物理 ぶつり 学 がく 家 か 仍然认为原子 げんし 只 ただ 是 ぜ 假想 かそう ,并非实在的 てき 。直 ちょく 到 いた 1905年 ねん 爱因斯坦[ 6] 和 わ 1906年 ねん 马利安 やす ·斯莫鲁霍夫 おっと 斯基 [ 7] 关于布 ぬの 朗 ろう 运动的 てき 论文发表之 の 后 きさき ,物理 ぶつり 学 がく 家 か 才 ざい 放 ひ 弃此想 そう 法 ほう 。他 た 们的论文给出了 りょう 分子 ぶんし 动力论的准 じゅん 确预言 ごと 。
分子 ぶんし 运动论使人 ひと 类正 せい 确认识到了 りょう 物 もの 质的 てき 结构组成和 わ 运动的 てき 一般 いっぱん 规律,成功 せいこう 解 かい 释了诸如布 ぬの 朗 ろう 运动等 とう 现象,并成为物理 ぶつり 学 がく 中 ちゅう 其他理 り 论,甚至很多其他学科 がっか 的 てき 理 り 论基础。
在 ざい 氣體 きたい 動力 どうりょく 論 ろん 中 ちゅう ,壓力 あつりょく 是 ぜ 以氣體 きたい 對 たい 某 ぼう 個 こ 平面 へいめん 撞擊所 しょ 造成 ぞうせい 的 てき 力 りょく 解釋 かいしゃく ,假設 かせつ 一 いち 個 こ 邊 あたり 長 ちょう 為 ため
l
{\displaystyle l}
的 てき 正 せい 立方體 りっぽうたい ,一 いち 顆質量 りょう 為 ため
m
{\displaystyle m}
的 てき 粒子 りゅうし 以速率 りつ
v
{\displaystyle v}
在 ざい 完全 かんぜん 彈性 だんせい 碰撞的 てき 情況 じょうきょう 下 か ,沿 X 軸 じく 撞擊其中一 いち 面 めん 的 てき 動 どう 量 りょう 變化 へんか 為 ため :
Δ でるた
P
=
m
v
x
−
(
−
m
v
x
)
=
2
m
v
x
{\displaystyle \Delta P=mv_{x}-(-mv_{x})=2mv_{x}}
此粒子 りゅうし 每 ごと 隔 へだた
2
l
v
x
{\displaystyle {\frac {2l}{v_{x}}}}
便 びん 撞擊該面一 いち 次 じ ,因 いん 此該面 めん 所 しょ 受到的 てき 力量 りきりょう 為 ため :
F
x
=
Δ でるた
P
Δ でるた
t
=
2
m
v
x
2
l
v
x
=
m
v
x
2
l
{\displaystyle F_{x}={\frac {\Delta P}{\Delta t}}={\frac {2mv_{x}}{\frac {2l}{v_{x}}}}={\frac {mv_{x}^{2}}{l}}}
在 ざい 一 いち 共有 きょうゆう n 個 こ 相 しょう 同 どう 粒子 りゅうし 的 てき 狀況 じょうきょう 下 か ,該面所 しょ 受到的 てき 總力 そうりょく 為 ため :
F
x
=
m
v
x
1
2
+
m
v
x
2
2
+
m
v
x
3
2
+
⋯
+
m
v
x
n
2
l
=
m
(
∑
k
=
1
n
v
x
k
2
)
l
{\displaystyle F_{x}={\frac {mv_{x1}^{2}+mv_{x2}^{2}+mv_{x3}^{2}+\cdots +mv_{xn}^{2}}{l}}={\frac {m(\sum _{k=1}^{n}v_{xk}^{2})}{l}}}
定義 ていぎ :
v
x
2
¯
≡
∑
v
x
n
2
n
{\displaystyle {\bar {v_{x}^{2}}}\equiv {\frac {\sum v_{xn}^{2}}{n}}}
,
F
x
=
m
n
v
x
2
¯
l
{\displaystyle F_{x}={\frac {mn{\bar {v_{x}^{2}}}}{l}}}
用 よう 相 しょう 同 どう 的 てき 方式 ほうしき 也可以得到 いた :
F
y
=
m
n
v
y
2
¯
l
{\displaystyle F_{y}={\frac {mn{\bar {v_{y}^{2}}}}{l}}}
,
F
z
=
m
n
v
z
2
¯
l
{\displaystyle F_{z}={\frac {mn{\bar {v_{z}^{2}}}}{l}}}
v
2
¯
=
v
x
2
¯
+
v
y
2
¯
+
v
z
2
¯
{\displaystyle {\bar {v^{2}}}={\bar {v_{x}^{2}}}+{\bar {v_{y}^{2}}}+{\bar {v_{z}^{2}}}}
因 いん 為 ため 大量 たいりょう 氣體 きたい 粒子 りゅうし 的 てき 運動 うんどう 可 か 以視為 ため 無 む 規則 きそく 的 てき 運動 うんどう ,因 いん 此大量 りょう 氣體 きたい 粒子 りゅうし 向 むこう 每 ごと 一方向的速率分布情形皆相同,所以 ゆえん :
v
x
2
¯
=
v
y
2
¯
=
v
z
2
¯
{\displaystyle {\bar {v_{x}^{2}}}={\bar {v_{y}^{2}}}={\bar {v_{z}^{2}}}}
,
v
2
¯
=
3
v
x
2
¯
{\displaystyle {\bar {v^{2}}}=3{\bar {v_{x}^{2}}}}
每 まい 個 こ 面 めん 所 しょ 受到的 てき 壓 あつ 强 きょう 為 ため :
P
=
F
A
=
m
n
v
2
¯
3
l
3
=
m
n
v
2
¯
3
l
3
=
m
n
v
2
¯
3
V
{\displaystyle P={\frac {F}{A}}={\frac {mn{\frac {\bar {v^{2}}}{3}}}{l^{3}}}={\frac {mn{\bar {v^{2}}}}{3l^{3}}}={\frac {mn{\bar {v^{2}}}}{3V}}}
P
V
=
n
m
v
2
¯
3
=
2
n
⋅
m
v
2
¯
2
3
=
2
n
E
¯
3
{\displaystyle PV={\frac {nm{\bar {v^{2}}}}{3}}={\frac {2n\cdot {\frac {m{\bar {v^{2}}}}{2}}}{3}}={\frac {2n{\bar {E}}}{3}}}
以方 ほう 均 ひとし 根 ね
v
r
m
s
{\displaystyle v_{rms}}
表示 ひょうじ 其中的 てき
v
x
2
¯
{\displaystyle {\bar {v_{x}^{2}}}}
亦 また 可 か 得 とく :
P
V
=
n
m
v
r
m
s
2
3
{\displaystyle PV={\frac {nmv_{rms}^{2}}{3}}}
这是分子 ぶんし 动理论的第 だい 一个非平庸的结果,它把宏 ひろし 观量压强与 あずか 微 ほろ 观量粒子 りゅうし 的 てき 平均 へいきん 动能联系起 おこり 来 らい 。
根據 こんきょ 理想 りそう 氣體 きたい 方程式 ほうていしき (
P
V
=
N
k
B
T
{\displaystyle PV=Nk_{B}T}
,
k
B
{\displaystyle k_{B}}
為 ため 波 なみ 茲曼常數 じょうすう ,
T
{\displaystyle T}
為 ため 絕對溫度 ぜったいおんど ,粒子 りゅうし 数 すう N=n):
P
V
=
N
k
B
T
=
n
m
v
2
¯
3
⇒
3
k
B
T
=
m
v
2
¯
{\displaystyle PV=Nk_{B}T={\frac {nm{\overline {v^{2}}}}{3}}\Rightarrow 3k_{B}T=m{\overline {v^{2}}}}
于是可 か 得 とく 单个分子 ぶんし 的 てき 动能为:
1
2
m
v
2
¯
=
3
2
k
B
T
{\displaystyle {\frac {1}{2}}m{\overline {v^{2}}}={\frac {3}{2}}k_{B}T}
故 こ 系統 けいとう 的 てき 總 そう 动能
K
{\displaystyle K}
可 か 表示 ひょうじ 為 ため :
K
=
N
⋅
1
2
m
v
2
¯
=
3
2
N
k
B
T
{\displaystyle K=N\cdot {\frac {1}{2}}m{\overline {v^{2}}}={\frac {3}{2}}Nk_{B}T}
2
3
K
=
N
k
B
T
{\displaystyle {\frac {2}{3}}K=Nk_{B}T}
这是分子 ぶんし 动理论中的 てき 一 いち 个重要 よう 结果:分子 ぶんし 的 てき 平均 へいきん 动能正 せい 比 ひ 于体系 けい 的 てき 绝对温度 おんど 。
P
V
=
N
k
B
T
=
2
3
K
{\displaystyle PV=Nk_{B}T={\frac {2}{3}}K}
因 いん 此,压强与 あずか 摩 ま 尔体积之积与分子 ぶんし 平均 へいきん 平 ひら 动动能成 よしなり 正 せい 比 ひ 。
对于由 ゆかり
N
{\displaystyle N}
个单原子 げんし 分子 ぶんし 组成的 てき 气体体系 たいけい ,自由 じゆう 度 ど 总数为
3
N
{\displaystyle 3N}
,因 いん 此每个自由 じゆう 度 ど 的 てき 动能是 ぜ
K
3
N
=
k
B
T
2
{\displaystyle {\frac {K}{3N}}={\frac {k_{B}T}{2}}}
每 まい 个自由 じゆう 度 ど 的 てき 动能正 せい 比 ひ 于温度 おんど ,比例 ひれい 系 けい 数 すう 为波 なみ 尔兹曼常数 すう 的 てき 一半 いっぱん ,这个结果叫 さけべ 做能 のう 量 りょう 均分 きんぶん 定理 ていり 。
对于理想 りそう 气体,可 か 以推导出n[ 8] 单位时间内 ない 分子 ぶんし 对容器 き 单位面 めん 积的碰撞次数 じすう 为
A
=
1
4
N
V
v
a
v
g
=
n
4
8
k
B
T
π ぱい
m
.
{\displaystyle A={\frac {1}{4}}{\frac {N}{V}}v_{avg}={\frac {n}{4}}{\sqrt {\frac {8k_{B}T}{\pi m}}}.\,}
所有 しょゆう 分子 ぶんし 速 そく 率 りつ 平方 へいほう 的 てき 平均 へいきん 值的平方根 へいほうこん
v
r
m
s
=
3
R
T
M
{\displaystyle v_{\rm {rms}}={\sqrt {\frac {3RT}{\text{M}}}}}
其中
v
{\displaystyle v}
為 ため 米 まい /秒 びょう (m/s),R是 ぜ 理想 りそう 氣體 きたい 常數 じょうすう ,M 為 ため 莫耳質量 しつりょう (千 せん 克 かつ /莫耳 (kg/mol))。其中最 さい 有 ゆう 可能 かのう 的 てき 速度 そくど 為 ため 均 ひとし 方 かた 根 ね 速 そく 率 りつ 的 てき 81.6%,而平均 へいきん 速度 そくど 為 ため 均 ひとし 方 かた 根 ね 速 そく 率 りつ 的 てき 92.1%。(麦 むぎ 克 かつ 斯韦-玻尔兹曼分布 ぶんぷ )
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^ Smoluchowski, M., Zur kinetischen Theorie der Brownschen Molekularbewegung und der Suspensionen , Annalen der Physik, 1906, 21 (14): 756–780 [2013-04-19 ] , Bibcode:1906AnP...326..756V , doi:10.1002/andp.19063261405 , (原始 げんし 内容 ないよう 存 そん 档 于2019-06-08)
^ Collisions With a Surface . [2013-04-17 ] . (原始 げんし 内容 ないよう 存 そん 档于2008-05-28).
基本 きほん 概念 がいねん 近 きん 独立 どくりつ 粒子 りゅうし 系 けい 统系 けい 综理 り 论相 あい 关模型 がた 科学 かがく 史 し