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第二章 氣體、液體和固體
第三節(jié) 氣體實驗定律的微觀解釋
根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，一定質(zhì)量的氣體，其溫度、體積和壓強(qiáng)三個量之間存在以下三種關(guān)系，分別對應(yīng)三位科學(xué)家的偉大貢獻(xiàn)。
氣體等溫變化的規(guī)律
氣體等容變化的規(guī)律
氣體等壓變化的規(guī)律
—— 玻意耳定律
—— 查理定律
—— 蓋-呂薩克定律
公式：pV =C1
公式：
公式：
由此可以推導(dǎo)出理想氣體狀態(tài)方程
本節(jié)課我們就通過對氣體實驗定律進(jìn)行微觀解釋，來深入理解這些規(guī)律。
1.理解氣體壓強(qiáng)和氣體實驗定律的微觀解釋
2.理解并學(xué)會應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程
一、氣體壓強(qiáng)的微觀解釋
當(dāng)雨點比較稀疏時，作用力是斷續(xù)的，因此樹葉會抖動
當(dāng)雨點比較密集時，作用力是持續(xù)的，因此樹葉被壓低
從分子動理論的觀點來看，氣體壓強(qiáng)是大量氣體分子對器壁作用的宏觀效果，大小等于大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力。
大量分子頻繁地碰撞器壁，會對器壁產(chǎn)生持續(xù)、均勻的壓力，產(chǎn)生壓強(qiáng)。
視頻展示：氣體壓強(qiáng)的微觀意義
單個分子對器壁的作用力跟什么因素有關(guān)呢？
我們利用動量定理做一個簡化的推導(dǎo)：把一個分子看作一個質(zhì)量為m的彈性小球（如圖所示），小球以垂直于器壁的初速度V撞向器壁，因為是彈性碰撞，反彈后速度V'=-V。設(shè)碰撞過程中器壁對小球的平均作用力大小為F，作用時間為t：
根據(jù)動量定理：Ft=mV-(-mV) 解得：F=2mV/t
根據(jù)牛頓第三定律，小球?qū)ζ鞅诘臎_擊力F'=F=2mV/t
因此，分子與容器壁碰撞的作用力與分子的質(zhì)量以及碰撞的速率有關(guān)。
大量分子頻繁地碰撞器壁產(chǎn)生的壓強(qiáng)還跟什么因素有關(guān)呢？
我們知道壓強(qiáng)P=F/S，如果單位體積內(nèi)氣體分子數(shù)目越多，那么碰撞到器壁單位面積上的分子數(shù)目就越多，單位面積上的平均作用力越大，則壓強(qiáng)越大。
因此，氣體壓強(qiáng)還跟單位體積內(nèi)分子數(shù)目有關(guān)。
就大量分子而言，氣體質(zhì)量一定時，如果溫度不變，體積越小，單位體積內(nèi)氣體分子數(shù)目越多，撞擊器壁的分子數(shù)目越多，撞擊的平均作用力越大，則壓強(qiáng)越大；如果體積不變，溫度越高，氣體分子熱運動的平均速率越大，撞擊的平均作用力越大，則壓強(qiáng)越大。
總結(jié)：
影響氣體壓強(qiáng)的兩個因素：
(1)氣體分子的密集程度；
(2)氣體分子的熱運動的平均速率。
二、氣體實驗定律的微觀解釋
1.溫度的微觀含義：溫度越高，分子熱運動的平均動能越大；溫度越低，分子熱運動的平均動能越小。
2.壓強(qiáng)的微觀含義：容器中氣體分子的平均速率越大、分子數(shù)密度越大，氣體壓強(qiáng)就越大；容器中氣體分子的平均速率越小、分子數(shù)密度越小，氣體壓強(qiáng)就越小。
宏觀角度
溫度
體積
分子的平均速率（平均動能）
分子的密集程度
微觀角度
3.玻意耳定律的微觀解釋
一定質(zhì)量的氣體，溫度保持不變時，氣體分子熱運動的平均速率一定，若氣體體積減小，分子的密集程度增大，氣體壓強(qiáng)增大。反之，若氣體體積增大，分子的密集程度減小，氣體壓強(qiáng)減小（如圖所示）。
（公式：pV =C1）
4.查理定律的微觀解釋
一定質(zhì)量的氣體，體積保持不變時，氣體分子的密集程度保持不變，若氣體溫度升高，分子的熱運動的平均速率增大，氣體壓強(qiáng)增大。反之，若氣體溫度降低，分子熱運動的平均速率減小，氣體壓強(qiáng)減小（如圖所示）。
（公式： ）
5.蓋-呂薩克定律的微觀解釋
一定質(zhì)量的氣體，溫度降低時，分子的熱運動的平均速率減小；只有氣體的體積同時減小，使分子的密集程度增大，才能保持壓強(qiáng)不變（如圖所示）。
（公式： ）
【討論與交流】有人做過這樣一個實驗：在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，取空氣、氫氣、一氧化碳和二氧化碳各1 dm3，分別將它們等溫壓縮至其壓強(qiáng)均為2個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，測其體積，計算pV的乘積。觀察數(shù)據(jù)，實際氣體壓縮過程是否嚴(yán)格遵守氣體實驗定律？
三、理想氣體
測得的實驗結(jié)果如下表所示：
我們發(fā)現(xiàn)：這些氣體或多或少對氣體實驗定律有所偏差，那有沒有一種嚴(yán)格遵守氣體實驗定律的氣體呢？
但為了研究方便，我們可以設(shè)想有一種嚴(yán)格遵循氣體實驗定律的氣體，這樣的氣體被稱為理想氣體。根據(jù)氣體實驗定律，可以推導(dǎo)出一定質(zhì)量的某種理想氣體，其壓強(qiáng)、體積和熱力學(xué)溫度三個參量滿足以下關(guān)系：
式中c是與p、V、T無關(guān)的常量，表明壓強(qiáng)跟體積的乘積與熱力學(xué)溫度的比值保持不變。這就是一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)方程。
理想氣體實際上是不存在的，它是對實際氣體的一種理想化的簡化模型。在通常的條件下，氫氣、氧氣、空氣等氣體都能很好地遵循氣體實驗定律，因此常把它們當(dāng)作理想氣體處理。
為何實際氣體不嚴(yán)格遵循氣體實驗定律呢？人們通過理論分析確認(rèn)，如果忽略分子的大小，將分子看作質(zhì)點，同時忽略分子間的相互作用（除相互碰撞外），則氣體將會嚴(yán)格遵循氣體實驗定律。因此，理想氣體的理想化微觀模型是分子有質(zhì)量而沒有體積，分子間除相互碰撞外，沒有相互作用力。而實際氣體，只有在常溫常壓下，分子間間距較大，分子的大小及相互作用力可以忽略時，才基本遵循氣體實驗定律。當(dāng)氣體壓強(qiáng)很大、溫度很低時，單位體積內(nèi)分子數(shù)很多，分子非常密集，分子的大小及分子間相互作用力不可忽略時，氣體實驗定律也就不適用了。
1.關(guān)于理想氣體，下列說法正確的是( )
A．理想氣體也不能嚴(yán)格地遵守氣體實驗定律
B．實際氣體在溫度不太高、壓強(qiáng)不太小的情況下，可看成理想氣體
C．實際氣體在溫度不太低、壓強(qiáng)不太大的情況下，可看成理想氣體
D．所有的實際氣體在任何情況下，都可以看成理想氣體
C
2.用打氣筒給籃球打氣，設(shè)每推一次活塞都將一個大氣壓的一整筒空氣壓入籃球。不考慮打氣過程中的溫度變化，忽略籃球容積的變化，則后一次與前一次推活塞過程比較（ ）
A．籃球內(nèi)氣體壓強(qiáng)的增加量相等
B．籃球內(nèi)氣體壓強(qiáng)的增加量大
C．籃球內(nèi)氣體壓強(qiáng)的增加量小
D．壓入的氣體分子數(shù)少
A
3.一定質(zhì)量的理想氣體，從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)，在如圖所示的四個圖中，描述的變化過程可能相同的是(　　)
A．甲和乙
B．甲和丙
C．乙和丙
D．乙和丁
C
4.壓強(qiáng)的微觀原因是氣體分子對容器壁的作用，關(guān)于氣體的壓強(qiáng)，下列說法正確的是（　　）
A．氣體壓強(qiáng)的大小只與分子平均動能有關(guān)
B．單位體積內(nèi)的分子數(shù)越多，分子平均速率越大，壓強(qiáng)就越大
C．一定質(zhì)量的氣體，體積越小，溫度越高，壓強(qiáng)就越小
D．氣體膨脹對外做功且溫度降低，氣體的壓強(qiáng)可能不變
B
氣體實驗定律的微觀解釋
氣體壓強(qiáng)的微觀解釋
氣體實驗定律的微觀解釋
理想氣體
大量分子頻繁地碰撞器壁，會對器壁產(chǎn)生持續(xù)、均勻的壓力，產(chǎn)生壓強(qiáng)。
容器中氣體分子的平均速率越大、分子數(shù)密度越大，氣體壓強(qiáng)就越大

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