大学物理第十一章-气体动理论习题

第十一章气体动理论一、基本要求1.理解平衡态、物态参量、温度等概念，掌握理想气体物态方程的物理意义及应用。2.了解气体分子热运动的统计规律性，理解理想气体的压强公式和温度公式的统计意义及微观本质，并能熟练应用。3.理解自由度和内能的概念，掌握能量按自由度均分定理。掌握理想气体的内能公式并能熟练应用。4.理解麦克斯韦气体分子速率分布律、速率分布函数及分子速率分布曲线的物理意义，掌握气体分子热运动的平均速率、方均根速率和最概然速率的求法和意义。5.了解气体分子平均碰撞频率及平均自由程的物理意义和计算公式。二、基本概念1平衡态系统在不受外界的影响下，宏观性质不随时间变化的状态。2物态参量描述一定质量的理想气体在平衡态时的宏观性质的物理量，包括压强、体积和温度3温度宏观上反映物体的冷热程度，微观上反映气体分子无规则热运动的剧烈程度。4自由度确定一个物体在空间的位置所需要的独立坐标数目，用字母表示。5内能理想气体的内能就是气体内所有分子的动能之和，即6最概然速率速率分布函数取极大值时所对应的速率，用表示，，其物理意义为在一定温度下，分布在速率附近的单位速率区间内的分子在总分子数中所占的百分比最大。7平均速率各个分子速率的统计平均值，用表示，8方均根速率各个分子速率的平方平均值的算术平方根，用表示，9平均碰撞频率和平均自由程平均碰撞频率是指单位时间内一个分子和其他分子平均碰撞的次数；平均自由程是每两次碰撞之间一个分子自由运动的平均路程，两者的关系式为:或三、基本规律1理想气体的物态方程pVRT或'mpVRTMpVNkT或pnkT2理想气体的压强公式23kpn3理想气体的温度公式21322kmkT4能量按自由度均分定理在温度为T的平衡态下，气体分子任何一个自由度的平均动能都相等，均为12kT5麦克斯韦气体分子速率分布律（1）速率分布函数()dNfNd表示在速率附近单位速率区间内的分子数占总分子数的百分比或任一单个分子在速率附近单位速率区间内出现的概率，又称为概率密度。（2）麦克斯韦速率分布律23/222()4()2mkTmfekT这一分布函数表明，在气体的种类及温度确定之后，各个速率区间内的分子数占总分子数的百分比是确定的。麦克斯韦速率分布曲线的特点是：对于同一种气体，温度越高，速率分布曲线越平坦；而在相同温度下的不同气体，分子质量越大的，分布曲线宽度越窄，高度越大，整个曲线比质量小的显得陡。第十一章气体动理论习题一、选择题1、用分子质量m，总分子数N，分子速率v和速率分布函数()fv表示的分子平动动能平均值为[]（A）0()Nfvdv；（B）201()2mvfvdv；（C）201()2mvNfvdv；（D）01()2mvfvdv。2、下列对最概然速率pv的表述中，不正确的是[]（A）pv是气体分子可能具有的最大速率；（B）就单位速率区间而言，分子速率取pv的概率最大；（C）分子速率分布函数()fv取极大值时所对应的速率就是pv；（D）在相同速率间隔条件下分子处在pv所在的那个间隔内的分子数最多。3、有两个容器，一个盛氢气，另一个盛氧气，如果两种气体分子的方均根速率相等，那么由此可以得出下列结论，正确的是[]（A）氧气的温度比氢气的高；（B）氢气的温度比氧气的高；（C）两种气体的温度相同；（D）两种气体的压强相同。4、A、B、C三个容器中皆装有理想气体，它们的分子数密度之比为nA∶nB∶nC＝4:2:1，而分子的平均平动动能之比为kA∶kB∶kC＝1:2:4，则它们的压强之比Ap∶Bp∶Cp＝[](A)1:2:1(B)1:1:1(C)1:2:2(D)2:1:25、在标准状态下，体积比为1:2的氧气和氦气（均视为理想气体）相混合，混合气体中氧气和氦气的内能之比为：[](A)1:2(B)5:3(C)5:6(D)10:36、有A、B两种容积不同的容器，A中装有单原子理想气体，B中装有双原子理想气体，若两种气体的压强相同，则这两种气体的单位体积的热力学能（内能）AUV和BUV的关系为[]（A）ABUUVV；（B）ABUUVV；（C）ABUUVV；（D）无法判断。7、一定量的理想气体可以：(A)保持压强和温度不变同时减小体积；(B)保持体积和温度不变同时增大压强；(C)保持体积不变同时增大压强降低温度；(D)保持温度不变同时增大体积降低压强。8、设某理想气体体积为V，压强为P，温度为T，每个分子的质量为m，玻尔兹曼常数为k，则该气体的分子总数可以表示为[](A)PVkm(B)PTmV(C)kTPV(D)kVPT9、关于温度的意义，有下列几种说法：[]（1）气体的温度是分子平均平动动能的量度；（2）气体的温度是大量气体分子热运动的集体表现，具有统计意义；（3）温度的高低反映物质内部分子运动剧烈程度的不同；（4）从微观上看，气体的温度表示每个气体分子的冷热程度；上述说法中正确的是：（A）(1)、（2）、（4）.（B）(1)、（2）、（3）.（C）(2)、（3）、（4）.（D）(1)、（3）、（4）.10、摩尔数相同的氢气和氦气，如果它们的温度相同，则两气体：[](A)内能必相等；(B)分子的平均动能必相同；(C)分子的平均平动动能必相同；(D)分子的平均转动动能必相同。二、填空题1、用分子质量m，总分子数N，分子速率v和速率分布函数()fv表示下列各量：1）速率大于100m/s的分子数；2）分子平动动能的平均值；3）多次观察某一分子速率，发现其速率大于100m/s的概率；2、温度为T的热平衡态下，物质分子的每个自由度都具有的平均动能为；温度为T的热平衡态下，每个分子的平均总能量；温度为T的热平衡态下，mol(0/mM为摩尔数)分子的平均总能量；温度为T的热平衡态下，每个分子的平均平动动能。3、质量为50.0g、温度为18.0oC的氦气装在容积为10.0升的封闭容器内，容器以200vm/s的速率做匀速直线运动。若容器突然停止，定向运动的动能全部转化为分子热运动的动能，则平衡后氦气的温度将增加K；压强将增加Pa。4、某种理想气体分子在温度T1时的方均根速率等于温度T2时的算术平均速率，则T2∶T1=_________。5、1mol氢气，在温度为27℃时，它的平动动能、转动动能和内能各是、、。6、一瓶氧气和一瓶氢气等压、等温，氧气体积是氢气的2倍，则氧气和氢气分子数密度之比。7、由质量为m，摩尔质量为M，自由度为i的分子组成的系统的内能为.8、用总分子数N、气体分子速率和速率分布函数()f表示下列各量：(1)速率大于0的分子数＝_________；(2)速率大于0的那些分子的平均速率＝_________；(3)多次观察某一分子的速率，发现其速率大于0的概率＝_________。9、一容器内储有某种气体，若已知气体的压强为3×105Pa，温度为27℃，密度为30.24kgm，则可确定此种气体是_________气；并可求出此气体分子热运动的最概然速率为_________1ms。10、两个相同体积容器中盛有相同温度、压强的氦气和氢气，则氦气和氢气的内能之比的值为（氢气视为刚性双原子分子）。三、判断题1、在同一温度下，不同气体分子的平均平动动能相等。就氢分子和氧分子比较，氧分子的质量比氢分子大，所以氢分子的速率一定比氧分子大（）。2、如果盛有气体的容器相对某坐标系运动，容器内的分子速度相对这坐标系也增大了，温度也因此而升高（）。3、如果氢和氦的摩尔数和温度相同，分子的平均平动动能相等（）则下列各量是否相等，为什么?4、如3所问，分子的平均动能相等（）。5、如3所问，分子的内能相等（）。6、若某理想气体系统内分子的自由度为i，当该系统处于平衡态时，每个分子的能量都等于KT（）7、一定量的理想气体可以保持温度不变同时增大体积降低压强（）8、摩尔数相同的氢气和氦气，如果它们的温度相同，则两气体内能必相等。（）9、某种理想气体分子在温度T1时的方均根速率等于温度T2时的算术平均速率，则T2∶T1=8π/3。（）10、若在某个过程中，一定量的理想气体的热力学能（内能）U随压强p的变化关系为一直线（其延长线过U—p图的原点），则该过程为等容过程。（）四、计算题1、将1mol温度为T的水蒸气分解为同温度的氢气和氧气，试求氢气和氧气的热力学能（内能）之和比水蒸气的热力学能增加了多少？（所有气体分子均视为刚性分子）。2、某柴油机的气缸内充满了空气，压缩前其中空气的温度为47℃，压强为8.61×104Pa。当活塞急剧上升时，可把空气压缩到原体积的1/17，此时压强增大到4.25×106Pa，求此时空气的温度（分别以K和℃表示）。3、容器中储有氧气，其压强为p＝0.1MPa(即1atm)，温度为27℃，求(1)分子数密度n；(2)氧分子的质量m；(3)气体密度；4、某柴油机的气缸充满空气，压缩前空气的温度为47℃，压强为8.61×104Pa。当活塞急剧上升时，可把空气压缩到原体积的1/17，此时压强增大到4.25×106Pa，求这时空气的温度。5、设有N个粒子的系统，其速率分布如图所示．求(1)分布函数)(vf的表达式；(2)a与0v之间的关系；(3)速度在1.50v到2.00v之间的粒子数．题4图6、设想每秒有2310个氧分子（质量为32原子质量单位）以-1500ms的速度沿着与器壁法线成45o角的方向撞在面积为43210m的器壁上，求这群分子作用在器壁上的压强。7、在半径为R的球形容器里贮有分子有效直径为d的气体，试求该容器中最多可以容纳多少个分子，才能使气体分子间不至于相碰？xvv8、设氢气的温度为300℃。求速度大小在3000m/s到3010m/s之间的分子数N1与速度大小在pv到10pvm/s之间的分子数N2之比。9、导体中自由电子的运动可以看成类似于气体分子的运动，所以常常称导体中的电子为电子气，设导体中共有N个自由电子，电子气中电子的最大速率为fv（称做费米速率），电子的速率分布函数为：24,0()0,ffAvvvfvvv式中A为常量，求：（1）用N和fv确定常数A；（2）电子气中一个自由电子的平均动能。10、有一水银气压计，当水银柱为0.76m高时，管顶离水银柱液面0.12m，管的截面积为2.0×10-4m2，当有少量氦(He)混入水银管内顶部时，水银柱高下降为0.6m，此时温度为27℃，试计算在管顶的氦气质量(He的摩尔质量为0.004kg·mol-1)?五、思考题1、什么是热力学系统的平衡态？气体在平衡态时有何特征？当气体处于平衡态时还有分子热运动吗？2、何谓理想气体的内能?为什么理想气体的内能是温度的单值函数?3、试说明下列各量的物理意义．（1）kT21（2）kT23（3）kTi2（4）RTiMm2（5）RTi2（6）RT234、速率分布函数)(vf的物理意义是什么?试说明下列各量的物理意义(n为分子数密度，N为系统总分子数)．（1）vvfd)(（2）vvnfd)(（3）vvNfd)(（4）vvvf0d)(（5）0d)(vvf（6）21d)(vvvvNf5、温度概念的适用条件是什么?温度微观本质是什么?6、为什么说温度具有统计意义？讲一个分子具有多少温度，对不对？7、最概然速率的物理意义是什么?方均根速率、最概然速率和平均速率各有何用处?8、在同一温度下，不同气体分子的平均平动动能相等。就氢分子和氧分子比较，氧分子的质量比氢分子大，所以氢分子的速率一定比氧分子大，对吗?9、如果盛有气体的容器相对某坐标系运动，容器内的分子速度相对这坐标系也增大了，温度也因此而升高吗?10、下列系统各有多少个自由度：(1)在一平面上滑动的粒子；(2)可以在一平面上滑动并可围绕垂直于平面的轴转动的硬币；(3)一弯成三角形的金属棒在空间自由运动．