
【化】 gas kinetics; kinetic theory of gases
氣體動理學理論(Kinetic Theory of Gases)是物理學中解釋氣體宏觀性質(如壓強、溫度、熱容)的微觀理論框架。該理論基于以下核心假設:氣體由大量微觀粒子(分子或原子)組成,這些粒子處于永不停息的無規則熱運動中,并通過碰撞與容器壁或其他粒子相互作用。其詳細含義可從漢英詞典角度拆解如下:
物質的一種聚集态,分子間距大、相互作用力弱,可自由移動并充滿整個容器(A state of matter with large intermolecular spacing, weak forces, and indefinite shape/volume)。
研究物體運動原因及規律的學科(The branch of mechanics concerned with motion and its causes)。在氣體理論中,特指分子熱運動的統計行為。
通過假設與推理構建的解釋性框架(A system of ideas explaining phenomena based on general principles)。
氣體分子作高速隨機運動,平均動能與熱力學溫度成正比:
$$ frac{1}{2}moverline{v} = frac{3}{2}k_B T $$
其中 ( m ) 為分子質量,( overline{v} ) 為方均根速度,( k_B ) 為玻爾茲曼常數,( T ) 為絕對溫度。
宏觀參數(壓強、溫度)是大量分子碰撞的統計平均結果。例如壓強公式:
$$ P = frac{1}{3}nmoverline{v} $$
( n ) 為單位體積分子數,揭示壓強源于分子對器壁的動量傳遞。
分子速度服從概率分布:
$$ f(v) = 4pi left( frac{m}{2pi k_B T} right)^{3/2} v e^{-mv/(2k_B T)} $$
該分布描述了特定溫度下分子速度的統計規律。
懸浮微粒的無規則運動(1827年布朗發現)為分子熱運動提供直接證據,愛因斯坦通過動理學理論給出定量解釋。
結合壓強公式與能量均分定理,可導出理想氣體狀态方程 ( PV = nRT ),銜接微觀理論與宏觀定律。
權威參考來源:
氣體動理學理論(又稱氣體分子動理論)是從微觀角度研究氣體宏觀性質及熱現象的統計物理理論。以下為綜合解釋:
氣體動理學理論以分子熱運動為基礎,通過統計方法建立微觀分子行為與宏觀物理量(如壓強、溫度)之間的聯繫。它與熱力學相輔相成:熱力學研究宏觀熱現象,而動理學理論揭示其微觀本質。
理想氣體狀态方程
核心公式為:
$$PV = nRT$$
其中$P$為壓強,$V$為體積,$T$為溫度,$n$為物質的量,$R$為氣體常數。
分子速度分布
麥克斯韋分布描述平衡态下分子速度的概率分布:
$$f(v) = 4πleft(frac{m}{2πkT}right)^{3/2}ve^{-frac{mv}{2kT}}$$
其中$m$為分子質量,$k$為玻爾茲曼常數。
分子平均自由程
兩次碰撞間的平均距離公式:
$$λ = frac{1}{sqrt{2}πdn}$$
$d$為分子直徑,$n$為分子數密度。
能量均分定理
每個自由度平均能量為$frac{1}{2}kT$,用于解釋氣體熱容。
提示:如需更詳細公式推導或應用案例,可參考道客巴巴或原創力文檔的完整課件。
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