
【化】 kinetic theory of gases
氣體分子運動論(Kinetic Theory of Gases)是描述氣體宏觀性質與微觀分子運動規律的物理理論。其核心觀點認為氣體由大量做無規則運動的分子組成,通過分子碰撞和運動解釋氣體的壓強、溫度、擴散等宏觀現象。以下是該理論的詳細解釋:
氣體由大量微小分子(或原子)構成,分子間存在較大空隙,分子持續做無規則熱運動。
來源:《大學物理》(Young & Freedman, 第15版)氣體動理論章節
分子間及分子與容器壁的碰撞為完全彈性碰撞,遵循能量和動量守恒定律。
來源:大英百科全書(Britannica)"Kinetic Theory of Gases"條目
單個分子運動無規律,但大量分子的集體行為服從統計規律,宏觀量是微觀量的統計平均值。
壓強成因
氣體壓強源于分子對容器壁的持續碰撞。壓強公式為:
$$P = frac{1}{3}nmoverline{v}$$
其中 ( n ) 為分子數密度,( m ) 為分子質量,( overline{v} ) 為分子速度平方的平均值。
來源:Clausius, R. (1857). "論氣體運動本質"(Annalen der Physik)
溫度的本質
溫度是分子平均動能的量度:
$$frac{1}{2}moverline{v} = frac{3}{2}k_BT$$
( k_B ) 為玻爾茲曼常數,( T ) 為熱力學溫度。
來源:麥克斯韋速度分布律(Maxwell, 1860)
理想氣體方程推導
結合壓強與溫度公式,可導出理想氣體狀态方程:
$$PV = Nk_BT quad text{或} quad PV = nRT$$
來源:克勞修斯理論(Clausius, 1850s)
每個自由度的平均動能為 ( frac{1}{2}k_BT ),解釋單原子與多原子氣體比熱容差異。
來源:《熱物理學》(Schroeder, 1999)統計力學章節
擴散(分子定向遷移)、熱傳導(動能傳遞)、黏滞性(動量傳遞)均源于分子碰撞與運動。
來源:玻爾茲曼輸運方程(Boltzmann, 1872)
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氣體分子運動論 | Kinetic Theory of Gases |
無規則熱運動 | Random Thermal Motion |
統計規律 | Statistical Regularity |
理想氣體狀态方程 | Ideal Gas Law |
能量均分定理 | Equipartition Theorem |
權威參考文獻(無鍊接時标注來源):
氣體分子運動論(又稱氣體動理論)是描述氣體宏觀性質與微觀分子運動規律之間關系的理論框架。它通過分析大量氣體分子的隨機運動及碰撞行為,解釋壓強、溫度、擴散等宏觀現象。以下是其核心要點:
壓強來源
壓強是分子頻繁碰撞容器壁的宏觀表現。公式為:
$$
p = frac{1}{3}nmoverline{v}
$$
其中 (n) 是分子數密度,(m) 為分子質量,(overline{v}) 為速度平方的平均值。
溫度與動能關系
溫度反映分子平均動能:
$$
frac{3}{2}k_B T = frac{1}{2}moverline{v}
$$
(k_B) 為玻爾茲曼常數,(T) 為熱力學溫度。
能量均分定理
每個自由度平均動能 (frac{1}{2}k_B T)(單原子分子有3個平動自由度,總動能 (frac{3}{2}k_B T))。
該理論是統計物理學的基石之一,将宏觀熱力學與微觀動力學聯繫起來,後續由麥克斯韋和玻爾茲曼發展為更系統的統計力學。
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