Proof: U=(3/2)PV or U=(3/2)nRT
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0:01 - 0:02我提过好几次
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0:02 - 0:05这个大写的U
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0:05 - 0:08就是系统的热力学能
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0:06 - 0:20更多课程尽在网易公开课频道 http://open.163.com/
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0:08 - 0:10而且系统的什么能量都包含在里头
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0:10 - 0:13它包括分子的动能
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0:13 - 0:14如果分子在震动
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0:14 - 0:16它就包括势能
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0:16 - 0:20它还包括化学键能
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0:20 - 0:21它也包括每个想要乱动的
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0:21 - 0:23电子的势能
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0:22 - 0:30加入网易翻译小组 请发邮件至 163open@vip.163.com
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0:23 - 0:24不过 对我们而言
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0:24 - 0:27特别是如果我们在学入门级的
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0:27 - 0:30化学、物理 或者热力学课程时
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0:30 - 0:31我们就假定
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0:31 - 0:32讨论的系统是
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0:32 - 0:34理想气体系统
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0:34 - 0:34甚至更进一步
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0:34 - 0:39气体是单分子理想气体
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0:39 - 0:40所以系统中的所有东西
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0:40 - 0:43都是单独的原子
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0:43 - 0:44因此这时
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0:44 - 0:46系统中唯一的能量
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0:46 - 0:47就是每个粒子的
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0:47 - 0:49动能
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0:49 - 0:51所以我这集要做的是…
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0:51 - 0:52可能会有点难算
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0:52 - 0:54但是我觉得坚持到最后
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0:54 - 0:56就会发现很值得
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0:56 - 0:57我这集要说明
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0:58 - 1:00定压 定容 或定温系统中
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1:00 - 1:03热力学能的多少
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1:03 - 1:06所以我要把压强 体积 或者温度
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1:06 - 1:07和热力学能联系起来
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1:07 - 1:10注意啦 目前的课程中
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1:10 - 1:13我只讲过热力学能的增量
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1:13 - 1:14我们可以把它和
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1:14 - 1:16系统吸收或放出的热量联系起来
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1:16 - 1:19还有环境对系统做的功
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1:19 - 1:20或者系统对环境做的功 但是现在
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1:20 - 1:22假设在有功或热量的变化之前
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1:22 - 1:24我们怎么才能知道一个系统中
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1:24 - 1:25热力学能的大小?
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1:25 - 1:27为了算出它
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1:27 - 1:30我们来做一个小的思维实验
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1:30 - 1:34我会在这里化简一下
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1:34 - 1:36不过我觉得你可以接受
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1:36 - 1:38还可能挺喜欢
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1:38 - 1:39比方说
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1:39 - 1:41我画一个
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1:41 - 1:42一个正方体
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1:42 - 1:43有种感觉告诉我
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1:43 - 1:46我好像已经在物理课中做过
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1:46 - 1:47这个近似证明了
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1:47 - 1:48虽然 我觉得我
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1:48 - 1:49没有确切把它和热力学能联系起来
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1:49 - 1:51不过我会搞定的
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1:51 - 1:54假设系统就是这个正方体
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1:56 - 1:58然后正方体的每个边长
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1:58 - 2:00都是x
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2:00 - 2:04所以它长x 宽x 高x
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2:04 - 2:08所以它的体积就是x的3次方
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2:08 - 2:10假设系统中有n个粒子
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2:10 - 2:12大写的N
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2:12 - 2:15我也可以写成小写的n mol
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2:15 - 2:16但是我们简单点来
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2:16 - 2:17有N个粒子
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2:19 - 2:24它们自由运动
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2:24 - 2:25接下来
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2:25 - 2:27我马上要做一步简化
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2:27 - 2:28但是我认为这样做很合理
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2:28 - 2:31所以在正常系统中 每个粒子
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2:31 - 2:32我之前已经说过了
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2:32 - 2:34它们朝着各个方向碰撞
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2:34 - 2:36任意地朝着四面八方碰撞
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2:36 - 2:37然后…
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2:37 - 2:39当它们撞击容器壁的时候
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2:39 - 2:41就产生了压强
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2:41 - 2:43它们也经常相互碰撞
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2:43 - 2:44等等 等等
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2:44 - 2:45四面八方
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2:45 - 2:48现在 为了简化数学计算
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2:48 - 2:49这样就可以
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2:49 - 2:51很快算出来
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2:51 - 2:53我要做一个假设
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2:53 - 2:54我假设
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2:54 - 2:571/3的粒子都会…
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2:57 - 3:00好吧 1/3的粒子
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3:00 - 3:02都沿着轴线运动
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3:02 - 3:03所以1/3的粒子
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3:03 - 3:06都沿着这个方向移动
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3:06 - 3:10我觉得可以说是 从左到右
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3:10 - 3:17而1/3的粒子上下运动
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3:17 - 3:19然后1/3的粒子
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3:19 - 3:22前后运动
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3:22 - 3:25我们知道这并不是事实
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3:25 - 3:26但是它会使计算非常简便
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3:26 - 3:30如果你真的想要做向四面八方的
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3:30 - 3:32所有粒子的热力学统计
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3:32 - 3:33其实你最后也会
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3:33 - 3:34会得到同样的结果
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3:34 - 3:35这么说
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3:35 - 3:37我觉得这是个非常大胆的简化
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3:37 - 3:39我们遇到
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3:39 - 3:42这样的系统的概率
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3:42 - 3:43无限小
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3:43 - 3:45我们一会儿会讲到熵
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3:45 - 3:46以及这概率非常小的原因
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3:46 - 3:48但是我们的系统可以被这样简化
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3:48 - 3:50这个系统可以产生压强
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3:50 - 3:51它使计算简化了不少
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3:51 - 3:53利用前面的条件 开始分析系统吧
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3:53 - 3:56从侧面观察
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3:56 - 3:59从这边观察
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3:59 - 4:03我们先来看一个粒子
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4:03 - 4:05或许我应该用绿色的
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4:05 - 4:07比如有一个粒子
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4:07 - 4:16它质量是m 速度为v
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4:16 - 4:22这是系统中N个粒子之一
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4:22 - 4:24我想要知道的是这个粒子
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4:24 - 4:30对这个容器壁施加的压强是多少?
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4:30 - 4:34我们知道壁的面积 对嘛?
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4:34 - 4:37壁的面积是x乘以x
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4:37 - 4:40所以是x2
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4:40 - 4:43这个粒子所施加的力是多少?
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4:43 - 4:45这样想
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4:45 - 4:46它向前运动
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4:46 - 4:48或者说向右运动
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4:48 - 4:49当它的动量改变的时候
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4:49 - 4:51就施加了力
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4:51 - 4:54我这里小复习一下动力学
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4:54 - 4:56我们知道力等于
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4:56 - 4:59质量乘加速度
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4:59 - 5:02我们知道加速度等于…
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5:02 - 5:05也就是等于质量乘以
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5:05 - 5:10速度的变化比上时间的变化
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5:10 - 5:11当然
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5:11 - 5:12我知道它被整理成
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5:12 - 5:14它等于――
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5:14 - 5:15质量是常量
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5:15 - 5:17我们要改变的量不影响质量
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5:17 - 5:19所以是Δ
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5:19 - 5:20我们可以把它放到变化量里面去
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5:20 - 5:24所以是Δmv除以ΔT
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5:24 - 5:27那么就是动量的变化 对嘛?
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5:27 - 5:28所以它等于
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5:28 - 5:31动量的变化除以时间的变化
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5:31 - 5:33这是力的另一种表达
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5:33 - 5:35所以这个粒子的动量变化
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5:35 - 5:36是多少?
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5:36 - 5:38它会撞击容器壁
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5:38 - 5:40现在 在这个方向
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5:40 - 5:40它有一些动量
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5:40 - 5:43它的动量等于mv
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5:43 - 5:45它会撞击这个容器壁
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5:45 - 5:47然后直接弹回来
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5:47 - 5:49所以它的动量是多少?
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5:49 - 5:51它的质量和速度
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5:51 - 5:52大小不变
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5:52 - 5:54我们假设它是完全弹性碰撞
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5:54 - 5:56没有热量或其他损失
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5:56 - 5:58但是速度的方向改变了
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5:58 - 6:01新的动量就是-mv
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6:01 - 6:04因为速度的方向改变了
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6:04 - 6:08现在 如果我开始动量是mv
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6:08 - 6:10然后弹回来的动量是-mv
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6:10 - 6:12动量的变化是多少?
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6:12 - 6:15动量的变化
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6:15 - 6:17在弹回来之后 就等于…
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6:17 - 6:19等于它们的差
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6:19 - 6:22也就是2mv
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6:22 - 6:24嗯 这还得不到力
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6:24 - 6:25我需要知道
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6:25 - 6:32每单位时间动量的变化
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6:32 - 6:34碰撞多久发生一次?
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6:34 - 6:35频率是多少?
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6:35 - 6:39每次运动到这里都会碰撞
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6:39 - 6:40每次都会撞击容器壁
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6:40 - 6:42然后粒子会回到这里来
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6:42 - 6:42撞击那个容器壁
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6:42 - 6:45然后回来再撞击
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6:45 - 6:47所以这就是它发生的频率
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6:47 - 6:49那么两次碰撞之间
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6:49 - 6:52我们需要等多久?
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6:52 - 6:55粒子一次要运动x距离
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6:55 - 6:57它会碰撞
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6:57 - 6:58然后运动x距离到左边
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6:58 - 7:00距离是x
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7:00 - 7:02我换个不同的颜色
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7:02 - 7:05这里的距离是x
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7:05 - 7:07它需要运动x距离再回来
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7:07 - 7:09然后再运动x距离 回来
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7:09 - 7:11所以 它需要移动2x
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7:11 - 7:14移动2x的距离需要多久?
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7:14 - 7:17时间 ΔT
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7:17 - 7:19就等于 我们知道
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7:19 - 7:23距离等于速率乘以时间
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7:23 - 7:28如果距离除以速率
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7:28 - 7:30就得到了所需时间
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7:30 - 7:34这是基本运动方程
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7:34 - 7:35那ΔT
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7:35 - 7:37移动的距离是一个来回
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7:37 - 7:40所以是2x 除以
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7:40 - 7:41速率是多少?
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7:41 - 7:43速率就是速度的大小
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7:43 - 7:47除以v
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7:47 - 7:48出来咯
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7:48 - 7:50这就是我们的ΔT
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7:50 - 7:59因此单位时间的动量变化
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7:59 - 8:05等于2倍入射动量
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8:05 - 8:08因为以同样的速率弹回来了
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8:08 - 8:08不过是负的动量
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8:08 - 8:10那么这就是动量的变化
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8:10 - 8:12然后 时间的变化是这个值
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8:12 - 8:15它就是粒子在两边之间
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8:15 - 8:17来回一次的距离
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8:17 - 8:18除以速度
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8:18 - 8:23所以就是 2x/v
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8:23 - 8:29就等于2mv乘以它的倒数…
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8:29 - 8:31分数性质
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8:31 - 8:33就是v/2x
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8:33 - 8:34等于什么?
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8:34 - 8:362被约掉了
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8:36 - 8:41所以就等于mv2/x
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8:41 - 8:43有趣吧
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8:43 - 8:45我们已经来到有意思的部分了
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8:45 - 8:47但是如果你还觉得还不够
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8:47 - 8:48那么等我一下
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8:48 - 8:52这是一个粒子所施加的力
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8:52 - 8:53这是…
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8:53 - 9:02一个粒子施加在一面容器壁上的力
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9:02 - 9:04面积是多少?
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9:04 - 9:12我们在意的是压强
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9:12 - 9:14我们写在上面了
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9:14 - 9:17压强等于单位面积上的力
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9:17 - 9:24这是粒子所施加的力
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9:24 - 9:28也就是mv2/x
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9:28 - 9:30除以容器壁的面积
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9:30 - 9:31壁面积是多少?
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9:31 - 9:35壁的面积 每个边长都是x
-
9:35 - 9:38所以如果是这个壁面 是x乘以x
-
9:38 - 9:39是x2
-
9:39 - 9:43所以除以容器壁的面积x2
-
9:43 - 9:44它等于什么?
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9:44 - 9:52等于mv2/x3
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9:52 - 9:53你可以说
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9:53 - 9:55这是乘以1/x2
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9:55 - 9:56这一堆变成x3
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9:56 - 9:57这就是分数的性质
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9:57 - 9:59有意思的部分来了
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9:59 - 10:06这一个粒子产生的压强
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10:01 - 10:15更多课程尽在网易公开课频道 http://open.163.com/
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10:06 - 10:10设是这一粒子产生的
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10:10 - 10:17等于mv2/x3
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10:17 - 10:18x3是什么?
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10:17 - 10:25加入网易翻译小组 请发邮件至 163open@vip.163.com
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10:18 - 10:20那是容器的容积
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10:20 - 10:22除以体积
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10:22 - 10:27我把体积表示成大V 好嘛?
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10:27 - 10:28看看我们能不能
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10:28 - 10:30导出有趣的东西来
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10:30 - 10:31所以它的意义就是
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10:31 - 10:34这个粒子产生的压强…
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10:34 - 10:36嗯 我换个方式
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10:36 - 10:39这是一个粒子对一面容器壁 对嘛?
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10:39 - 10:41这是这个容器壁的一个粒子
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10:41 - 10:43那么 所有的粒子…
-
10:43 - 10:46在立方体中有N个粒子
-
10:46 - 10:47它们之中有多少
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10:47 - 10:49会撞击这个容器壁?
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10:49 - 10:50有多少会
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10:50 - 10:52和这个粒子一样来回撞击?
-
10:52 - 10:54我说过了
-
10:54 - 10:551/3的粒子会在这个方向上运动
-
10:55 - 10:571/3的粒子上下运动
-
10:57 - 10:591/3的粒子前后移动
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10:59 - 11:01如果总共有N个粒子
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11:01 - 11:04N/3个粒子的运动方式
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11:04 - 11:06和这个粒子的相同
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11:06 - 11:10这是一个粒子的压强
-
11:10 - 11:12如果我想知道
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11:12 - 11:13整个容器壁的压强
-
11:13 - 11:15那么壁面上的总压强
-
11:15 - 11:18是由N/3个粒子引起的
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11:18 - 11:20其余的粒子没有撞击这里
-
11:20 - 11:21所以我们不用考虑他们
-
11:21 - 11:26所以如果我们要算总压强
-
11:26 - 11:29我就写 PW壁的压强
-
11:29 - 11:31壁的总压强PW就等于
-
11:31 - 11:33一个粒子产生的压强
-
11:33 - 11:36mv2 除以V
-
11:36 - 11:38乘以 撞击壁面的
-
11:38 - 11:39粒子的总数
-
11:39 - 11:45粒子的总数是N/3
-
11:45 - 11:47因为只有1/3的粒子是这个方向的
-
11:47 - 11:49所以壁面上的总压强
-
11:49 - 11:51就等于mv2
-
11:51 - 11:52除以容器的体积
-
11:52 - 11:54乘以粒子的总数除以3
-
11:54 - 11:57看看我们能不能整理一下
-
11:57 - 12:01所以如果我们把两边都乘以…
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12:01 - 12:03怎么办好呢
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12:03 - 12:08如果两边同时乘以3V
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12:08 - 12:15得到PV乘以3 等于
-
12:15 - 12:20mv2乘以N
-
12:20 - 12:22其中N是粒子的总数
-
12:22 - 12:23再两边同时除以N
-
12:23 - 12:31所以就得到3PV除以…
-
12:31 - 12:34还是不要了 N留在这里吧
-
12:34 - 12:41方程两边同时除以2
-
12:41 - 12:44就得到… 得到什么?
-
12:44 - 12:48得到3/2PV等于…
-
12:48 - 12:49这很有趣
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12:49 - 12:53它等于N 也就是总粒子数
-
12:53 - 12:57乘以mv2/2
-
12:57 - 12:59记得 我刚刚通过
-
12:59 - 13:01两边除以2得到了这个
-
13:01 - 13:02我这样做是有特殊原因的
-
13:02 - 13:04mv2/2是什么?
-
13:04 - 13:09mv2/2是
-
13:09 - 13:10这个例子开始时
-
13:10 - 13:11那个粒子的动能
-
13:11 - 13:13这是动能的表达
-
13:13 - 13:19动能等于mv2/2
-
13:19 - 13:28所以这是一个粒子的动能
-
13:28 - 13:30然后我们把它乘以
-
13:30 - 13:32总的粒子数
-
13:32 - 13:33乘以N
-
13:33 - 13:36所以N乘以一个粒子的动能
-
13:36 - 13:37就是所有粒子的
-
13:37 - 13:37动能
-
13:37 - 13:39当然 我们也可以再作一个假设
-
13:39 - 13:41我可以说 假设
-
13:41 - 13:42所有的粒子
-
13:42 - 13:44运动速度相同 并且质量相等
-
13:44 - 13:45而实际中
-
13:45 - 13:47粒子速度应该是不同的
-
13:47 - 13:49但这是个为了简化的假设
-
13:49 - 13:51那么 假设它们的速度和质量相同
-
13:51 - 13:53所以 如果我乘以N…
-
13:53 - 13:54这部分
-
13:54 - 14:01是系统的动能
-
14:01 - 14:03快算好咯
-
14:03 - 14:04实际上 已经算好啦
-
14:04 - 14:06我们推出了
-
14:06 - 14:08系统的动能
-
14:08 - 14:12等于3/2乘以压强
-
14:12 - 14:13再乘以系统的体积
-
14:13 - 14:16那么系统的动能是什么?
-
14:16 - 14:17它就是热力学能
-
14:17 - 14:19因为我们说过 系统中所有的能量
-
14:19 - 14:22因为它是简单的理想单分子气体
-
14:22 - 14:23系统中所有的能量
-
14:23 - 14:24都以动能的形式存在
-
14:24 - 14:28所以我们可以说 系统的
-
14:28 - 14:31系统的热力学能等于
-
14:31 - 14:33也就是系统的总动能
-
14:33 - 14:37它等于 3/2乘以总压强
-
14:37 - 14:39乘以总体积
-
14:39 - 14:40你可能会说 嘿 Sal
-
14:40 - 14:42你刚刚只算出了这个方向的压强
-
14:42 - 14:44那么 那个方向的压强
-
14:44 - 14:45和这个方向的 这个方向的
-
14:45 - 14:46或者是整个立方体的压强怎么算
-
14:46 - 14:48好吧 立方体内各处的压强
-
14:48 - 14:48都相等
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14:48 - 14:50所以我们只需要
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14:50 - 14:51算出一个方向的压强
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14:51 - 14:52它就是
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14:52 - 14:53系统的压强
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14:53 - 14:56所以接下来要怎么做?
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14:56 - 14:58我们知道PV等于nRT
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14:58 - 15:00这是理想气体方程
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15:00 - 15:05PV等于nRT
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15:05 - 15:07其中这个是气体的物质的量
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15:07 - 15:09这是理想气体常数
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15:09 - 15:10这是温度 单位是开尔文
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15:10 - 15:12所以如果代入这个方程
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15:12 - 15:14我们会说 热力学能
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15:14 - 15:15也可以写成
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15:15 - 15:183/2 乘以物质的量
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15:18 - 15:20乘以理想气体常数
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15:20 - 15:22乘以温度
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15:22 - 15:24好啦 我讲了这么多
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15:24 - 15:25还算了些数
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15:25 - 15:28但是这结果 第一 很有意思
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15:28 - 15:30因为现在你就得到了它们的直接关系
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15:30 - 15:32如果已知压强和体积
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15:32 - 15:36你就知道了热力学能的大小
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15:36 - 15:38或者说系统的总动能
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15:38 - 15:40或者 如果你知道了温度
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15:40 - 15:43和分子数量
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15:43 - 15:44也可以求出
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15:44 - 15:46系统的热力学能大小
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15:46 - 15:47有几个关键 我希望
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15:47 - 15:48你们能留下印象
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15:48 - 15:50如果在理想情况下
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15:50 - 15:52温度不变
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15:52 - 15:56也就是ΔT等于0
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15:56 - 15:57这个常数也不变
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15:57 - 15:58粒子数也不会变
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15:58 - 16:03然后热力学能也就不变
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16:03 - 16:06所以如果
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16:06 - 16:08热力学能有变化…
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16:08 - 16:10以后的证明会用到这个
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16:10 - 16:11我们就可以说…
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16:11 - 16:16它等于 3/2nR再乘以…
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16:16 - 16:17呐 这是唯一能变的部分
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16:17 - 16:18不是粒子数
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16:18 - 16:20也不是理想气体常数…
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16:20 - 16:21乘以T的变化
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16:21 - 16:24或者 它也可以写成
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16:24 - 16:273/2乘以ΔPV
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16:27 - 16:29我们不知道这两个哪个是定值
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16:29 - 16:30所以必须说是PV的“积”的变化
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16:30 - 16:32好啦 这集算数比较多
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16:32 - 16:34我很抱歉
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16:34 - 16:35但是我希望
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16:35 - 16:37它给你了一点这样的概念
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16:37 - 16:39这其实就是所有动能的总和
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16:39 - 16:40我们把它和
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16:40 - 16:42一些宏观状态函数联系起来了
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16:42 - 16:44比如压强 体积 和时间
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16:44 - 16:47接下来 既然我已经做了一集证明
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16:47 - 16:51我们以后可以直接用它证明别的
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16:48 - 16:50【字幕组】Eureka与Bazinga联合制作
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16:50 - 16:52【翻译】summerwind【时间轴】凡神
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16:51 - 16:53若果真如此 至少你不会抱怨太多
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16:52 - 16:54【校对】Bowie Vegetable Trazom
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16:53 - 16:54无论如何 下集见咯
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