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第二章 气体、液体和固体
第三节 气体实验定律的微观解释
篮球是大家熟悉的运动器材，在寒冷的冬天，若将篮球放置在室外一段时间，再去拍打时，会发现篮球变得有些瘪，弹性也大不如前。然而，当把这个篮球拿到温暖的室内，过一段时间后，它又会慢慢恢复一些，弹性也有所改善。
1.理解气体压强和气体实验定律的微观解释
2.理解并学会应用理想气体状态方程
一、气体压强的微观解释
大量分子频繁地碰撞器壁，对器壁产生持续、均匀的压力，产生压强。
单个分子对器壁的冲力是短暂的，但大量分子频繁地碰撞器壁，就会对器壁产生持续的、均匀的压力。
要深入理解这一个现象，我们首先要先复习一下分子动理论的知识：
（1）物质由大量分子组成，单位体积内分子数非常巨大
（2）分子在做永不停息的无规则热运动，气体分子之间、分子与容器壁的碰撞非常频繁
从分子动理论的观点来看，气体压强是大量气体分子对器壁作用的宏观效果，大小等于大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力。
大量分子频繁地碰撞器壁产生的压强跟什么因素有关呢？
我们通过一个视频，利用玻璃珠模拟气体分子，演示大气压强产生的机理，进而研究这个问题，视频展示如下：
单个分子的质量以及碰撞的速率有关
气体分子的密集程度(单位体积内分子数目)
得出实验结论：
能否用理论的角度得出这两个结论？
我们利用动量定理做一个简化的推导：把一个分子看作一个质量为m的弹性小球（如图所示），小球以垂直于器壁的初速度V撞向器壁，因为是弹性碰撞，反弹后速度V'=-V。设碰撞过程中器壁对小球的平均作用力大小为F，作用时间为t：
根据动量定理：Ft=mV-(-mV) 解得：F=2mV/t
根据牛顿第三定律，小球对器壁的冲击力F'=F=2mV/t
因此，分子与容器壁碰撞的作用力与分子的质量以及碰撞的速率有关。
尽管大量分子做无规则运动，速率有大有小，但分子的速率却按一定的规律分布，在不同温度下都呈“中间多，两头少”的分布（如图所示）。当温度升高时，分子的热运动平均速率（平均动能）增大。当温度降低时，分子的热运动平均速率（平均动能）减小。
因此，分子与容器壁碰撞的作用力与气体分子的密集程度(单位体积内分子数目)有关。
我们知道压强P=F/S，如果单位体积内气体分子数目越多，那么碰撞到器壁单位面积上的分子数目就越多，单位面积上的平均作用力越大，则压强越大。
二、气体实验定律的微观解释
1.温度的微观含义：温度越高，分子热运动的平均动能越大；温度越低，分子热运动的平均动能越小。
2.压强的微观含义：容器中气体分子的平均速率越大、分子数密度越大，气体压强就越大；容器中气体分子的平均速率越小、分子数密度越小，气体压强就越小。
宏观角度
温度
体积
分子的平均速率（平均动能）
分子的密集程度
微观角度
3.玻意耳定律的微观解释
一定质量的气体，温度保持不变时，气体分子热运动的平均速率一定，若气体体积减小，分子的密集程度增大，气体压强增大。反之，若气体体积增大，分子的密集程度减小，气体压强减小（如图所示）。
（公式：pV =C1）
4.查理定律的微观解释
一定质量的气体，体积保持不变时，气体分子的密集程度保持不变，若气体温度升高，分子的热运动的平均速率增大，气体压强增大。反之，若气体温度降低，分子热运动的平均速率减小，气体压强减小（如图所示）。
（公式： ）
5.盖-吕萨克定律的微观解释
一定质量的气体，温度降低时，分子的热运动的平均速率减小；只有气体的体积同时减小，使分子的密集程度增大，才能保持压强不变（如图所示）。
（公式： ）
【讨论与交流】有人做过这样一个实验：在1个标准大气压下，取空气、氢气、一氧化碳和二氧化碳各1 dm3，分别将它们等温压缩至其压强均为2个标准大气压，测其体积，计算pV的乘积。观察数据，实际气体压缩过程是否严格遵守气体实验定律？
三、理想气体
测得的实验结果如下表所示：
我们发现：这些气体或多或少对气体实验定律有所偏差，那有没有一种严格遵守气体实验定律的气体呢？
但为了研究方便，我们可以设想有一种严格遵循气体实验定律的气体，这样的气体被称为理想气体。根据气体实验定律，可以推导出一定质量的某种理想气体，其压强、体积和热力学温度三个参量满足以下关系：
式中c是与p、V、T无关的常量，表明压强跟体积的乘积与热力学温度的比值保持不变。这就是一定质量的理想气体状态方程。
理想气体实际上是不存在的，它是对实际气体的一种理想化的简化模型。在通常的条件下，氢气、氧气、空气等气体都能很好地遵循气体实验定律，因此常把它们当作理想气体处理。
为何实际气体不严格遵循气体实验定律呢？人们通过理论分析确认，如果忽略分子的大小，将分子看作质点，同时忽略分子间的相互作用（除相互碰撞外），则气体将会严格遵循气体实验定律。因此，理想气体的理想化微观模型是分子有质量而没有体积，分子间除相互碰撞外，没有相互作用力。而实际气体，只有在常温常压下，分子间间距较大，分子的大小及相互作用力可以忽略时，才基本遵循气体实验定律。当气体压强很大、温度很低时，单位体积内分子数很多，分子非常密集，分子的大小及分子间相互作用力不可忽略时，气体实验定律也就不适用了。
1.用打气筒给篮球打气，设每推一次活塞都将一个大气压的一整筒空气压入篮球。不考虑打气过程中的温度变化，忽略篮球容积的变化，则后一次与前一次推活塞过程比较（ ）
A．篮球内气体压强的增加量相等
B．篮球内气体压强的增加量大
C．篮球内气体压强的增加量小
D．压入的气体分子数少
A
2.在一定温度下，当气体的体积增大时，气体的压强减小，这是（　　）
A．气体分子的密度变小，单位体积内分子的质量变小
B．气体分子密度变大，分子对器壁的吸引力变小
C．每个气体分子对器壁的平均撞击力变小
D．单位体积内的分子数减小，单位时间内对器壁碰撞的次数减小
D
3.一定质量的理想气体，从一个状态变化到另一个状态，在如图所示的四个图中，描述的变化过程可能相同的是(　　)
A．甲和乙
B．甲和丙
C．乙和丙
D．乙和丁
C
4.压强的微观原因是气体分子对容器壁的作用，关于气体的压强，下列说法正确的是（　　）
A．气体压强的大小只与分子平均动能有关
B．单位体积内的分子数越多，分子平均速率越大，压强就越大
C．一定质量的气体，体积越小，温度越高，压强就越小
D．气体膨胀对外做功且温度降低，气体的压强可能不变
B
气体实验定律的微观解释
气体压强的微观解释
气体实验定律的微观解释
理想气体
大量分子频繁地碰撞器壁，会对器壁产生持续、均匀的压力，产生压强。
容器中气体分子的平均速率越大、分子数密度越大，气体压强就越大

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