Proof: U=(3/2)PV or U=(3/2)nRT
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0:01 - 0:02我提過好幾次
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0:02 - 0:05這個大寫的U
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0:05 - 0:08就是係統的熱力學能
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0:06 - 0:20更多課程盡在網易公開課頻道 http://open.163.com/
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0:08 - 0:10而且係統的什麽能量都包含在裏頭
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0:10 - 0:13它包括分子的動能
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0:13 - 0:14如果分子在震動
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0:14 - 0:16它就包括勢能
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0:16 - 0:20它還包括化學鍵能
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0:20 - 0:21它也包括每個想要亂動的
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0:21 - 0:23電子的勢能
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0:22 - 0:30加入網易翻譯小組 請發郵件至 163open@vip.163.com
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0:23 - 0:24不過 對我們而言
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0:24 - 0:27特別是如果我們在學入門級的
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0:27 - 0:30化學、物理 或者熱力學課程時
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0:30 - 0:31我們就假定
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0:31 - 0:32討論的係統是
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0:32 - 0:34理想氣體係統
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0:34 - 0:34甚至更進一步
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0:34 - 0:39氣體是單分子理想氣體
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0:39 - 0:40所以係統中的所有東西
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0:40 - 0:43都是單獨的原子
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0:43 - 0:44因此這時
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0:44 - 0:46係統中唯一的能量
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0:46 - 0:47就是每個粒子的
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0:47 - 0:49動能
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0:49 - 0:51所以我這集要做的是…
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0:51 - 0:52可能會有點難算
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0:52 - 0:54但是我覺得堅持到最後
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0:54 - 0:56就會發現很值得
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0:56 - 0:57我這集要說明
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0:58 - 1:00定壓 定容 或定溫係統中
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1:00 - 1:03熱力學能的多少
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1:03 - 1:06所以我要把壓力 體積 或者溫度
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1:06 - 1:07和熱力學能聯係起來
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1:07 - 1:10注意啦 目前的課程中
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1:10 - 1:13我只講過熱力學能的增量
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1:13 - 1:14我們可以把它和
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1:14 - 1:16係統吸收或放出的熱量聯係起來
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1:16 - 1:19還有環境對係統做的功
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1:19 - 1:20或者係統對環境做的功 但是現在
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1:20 - 1:22假設在有功或熱量的變化之前
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1:22 - 1:24我們怎麽才能知道一個係統中
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1:24 - 1:25熱力學能的大小?
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1:25 - 1:27爲了算出它
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1:27 - 1:30我們來做一個小的思維實驗
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1:30 - 1:34我會在這裡化簡一下
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1:34 - 1:36不過我覺得你可以接受
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1:36 - 1:38還可能挺喜歡
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1:38 - 1:39比方說
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1:39 - 1:41我畫一個
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1:41 - 1:42一個正方體
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1:42 - 1:43有種感覺告訴我
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1:43 - 1:46我好像已經在物理課中做過
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1:46 - 1:47這個近似證明了
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1:47 - 1:48雖然 我覺得我
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1:48 - 1:49沒有確切把它和熱力學能聯係起來
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1:49 - 1:51不過我會搞定的
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1:51 - 1:54假設係統就是這個正方體
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1:56 - 1:58然後正方體的每個邊長
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1:58 - 2:00都是x
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2:00 - 2:04所以它長x 寬x 高x
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2:04 - 2:08所以它的體積就是x的3次方
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2:08 - 2:10假設係統中有n個粒子
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2:10 - 2:12大寫的N
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2:12 - 2:15我也可以寫成小寫的n mol
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2:15 - 2:16但是我們簡單點來
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2:16 - 2:17有N個粒子
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2:19 - 2:24它們自由運動
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2:24 - 2:25接下來
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2:25 - 2:27我馬上要做一步簡化
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2:27 - 2:28但是我認爲這樣做很合理
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2:28 - 2:31所以在正常係統中 每個粒子
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2:31 - 2:32我之前已經說過了
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2:32 - 2:34它們朝著各個方向碰撞
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2:34 - 2:36任意地朝著四面八方碰撞
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2:36 - 2:37然後…
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2:37 - 2:39當它們撞擊容器壁的時候
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2:39 - 2:41就産生了壓力
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2:41 - 2:43它們也經常相互碰撞
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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現在 爲了簡化數學計算
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2:48 - 2:49這樣就可以
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2:49 - 2:51很快算出來
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2:51 - 2:53我要做一個假設
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2:53 - 2:54我假設
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2:54 - 2:571/3的粒子都會…
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2:57 - 3:00好吧 1/3的粒子
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3:00 - 3:02都沿著軸線運動
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3:02 - 3:03所以1/3的粒子
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3:03 - 3:06都沿著這個方向移動
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3:06 - 3:10我覺得可以說是 從左到右
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3:10 - 3:17而1/3的粒子上下運動
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3:17 - 3:19然後1/3的粒子
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3:19 - 3:22前後運動
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3:22 - 3:25我們知道這並不是事實
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3:25 - 3:26但是它會使計算非常簡便
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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所有粒子的熱力學統計
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3:32 - 3:33其實你最後也會
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3:33 - 3:34會得到同樣的結果
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3:34 - 3:35這麽說
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3:35 - 3:37我覺得這是個非常大膽的簡化
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3:37 - 3:39我們遇到
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3:39 - 3:42這樣的係統的機率
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3:42 - 3:43無限小
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3:43 - 3:45我們一會兒會講到熵
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3:45 - 3:46以及這機率非常小的原因
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3:46 - 3:48但是我們的係統可以被這樣簡化
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3:48 - 3:50這個係統可以産生壓力
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3:50 - 3:51它使計算簡化了不少
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3:51 - 3:53利用前面的條件 開始分析係統吧
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3:53 - 3:56從側面觀察
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3:56 - 3:59從這邊觀察
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3:59 - 4:03我們先來看一個粒子
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4:03 - 4:05或許我應該用綠色的
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4:05 - 4:07比如有一個粒子
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4:07 - 4:16它質量是m 速度爲v
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4:16 - 4:22這是係統中N個粒子之一
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4:22 - 4:24我想要知道的是這個粒子
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4:24 - 4:30對這個容器壁施加的壓力是多少?
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4:30 - 4:34我們知道壁的面積 對嘛?
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4:34 - 4:37壁的面積是x乘以x
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4:37 - 4:40所以是x2
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4:40 - 4:43這個粒子所施加的力是多少?
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4:43 - 4:45這樣想
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4:45 - 4:46它向前運動
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4:46 - 4:48或者說向右運動
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4:48 - 4:49當它的動量改變的時候
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4:49 - 4:51就施加了力
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4:51 - 4:54我這裡小複習一下動力學
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4:54 - 4:56我們知道力等於
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4:56 - 4:59質量乘加速度
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4:59 - 5:02我們知道加速度等於…
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5:02 - 5:05也就是等於質量乘以
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5:05 - 5:10速度的變化比上時間的變化
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5:10 - 5:11當然
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5:11 - 5:12我知道它被整理成
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5:12 - 5:14它等於――
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5:14 - 5:15質量是常量
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5:15 - 5:17我們要改變的量不影響質量
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5:17 - 5:19所以是Δ
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5:19 - 5:20我們可以把它放到變化量裏面去
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5:20 - 5:24所以是Δmv除以ΔT
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5:24 - 5:27那麽就是動量的變化 對嘛?
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5:27 - 5:28所以它等於
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5:28 - 5:31動量的變化除以時間的變化
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5:31 - 5:33這是力的另一種表達
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5:33 - 5:35所以這個粒子的動量變化
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5:35 - 5:36是多少?
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5:36 - 5:38它會撞擊容器壁
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5:38 - 5:40現在 在這個方向
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5:40 - 5:40它有一些動量
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5:40 - 5:43它的動量等於mv
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5:43 - 5:45它會撞擊這個容器壁
-
5:45 - 5:47然後直接彈回來
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5:47 - 5:49所以它的動量是多少?
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5:49 - 5:51它的質量和速度
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5:51 - 5:52大小不變
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5:52 - 5:54我們假設它是完全彈性衝擊
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5:54 - 5:56沒有熱量或其他損失
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5:56 - 5:58但是速度的方向改變了
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5:58 - 6:01新的動量就是-mv
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6:01 - 6:04因爲速度的方向改變了
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6:04 - 6:08現在 如果我開始動量是mv
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6:08 - 6:10然後彈回來的動量是-mv
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6:10 - 6:12動量的變化是多少?
-
6:12 - 6:15動量的變化
-
6:15 - 6:17在彈回來之後 就等於…
-
6:17 - 6:19等於它們的差
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6:19 - 6:22也就是2mv
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6:22 - 6:24嗯 這還得不到力
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6:24 - 6:25我需要知道
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6:25 - 6:32每單位時間動量的變化
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6:32 - 6:34碰撞多久發生一次?
-
6:34 - 6:35頻率是多少?
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6:35 - 6:39每次運動到這裡都會碰撞
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6:39 - 6:40每次都會撞擊容器壁
-
6:40 - 6:42然後粒子會回到這裡來
-
6:42 - 6:42撞擊那個容器壁
-
6:42 - 6:45然後回來再撞擊
-
6:45 - 6:47所以這就是它發生的頻率
-
6:47 - 6:49那麽兩次碰撞之間
-
6:49 - 6:52我們需要等多久?
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6:52 - 6:55粒子一次要運動x距離
-
6:55 - 6:57它會碰撞
-
6:57 - 6:58然後運動x距離到左邊
-
6:58 - 7:00距離是x
-
7:00 - 7:02我換個不同的顏色
-
7:02 - 7:05這裡的距離是x
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7:05 - 7:07它需要運動x距離再回來
-
7:07 - 7:09然後再運動x距離 回來
-
7:09 - 7:11所以 它需要移動2x
-
7:11 - 7:14移動2x的距離需要多久?
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7:14 - 7:17時間 ΔT
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7:17 - 7:19就等於 我們知道
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7:19 - 7:23距離等於速率乘以時間
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7:23 - 7:28如果距離除以速率
-
7:28 - 7:30就得到了所需時間
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7:30 - 7:34這是基本運動方程
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7:34 - 7:35那ΔT
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7:35 - 7:37移動的距離是一個來回
-
7:37 - 7:40所以是2x 除以
-
7:40 - 7:41速率是多少?
-
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出來咯
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7:48 - 7:50這就是我們的ΔT
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7:50 - 7:59因此單位時間的動量變化
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7:59 - 8:05等於2倍入射動量
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8:05 - 8:08因爲以同樣的速率彈回來了
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8:08 - 8:08不過是負的動量
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8:08 - 8:10那麽這就是動量的變化
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8:10 - 8:12然後 時間的變化是這個值
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8:12 - 8:15它就是粒子在兩邊之間
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8:15 - 8:17來回一次的距離
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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就等於2mv乘以它的倒數…
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8:29 - 8:31分數性質
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8:31 - 8:33就是v/2x
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8:33 - 8:34等於什麽?
-
8:34 - 8:362被約掉了
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8:36 - 8:41所以就等於mv2/x
-
8:41 - 8:43有趣吧
-
8:43 - 8:45我們已經來到有意思的部分了
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8:45 - 8:47但是如果你還覺得還不夠
-
8:47 - 8:48那麽等我一下
-
8:48 - 8:52這是一個粒子所施加的力
-
8:52 - 8:53這是…
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8:53 - 9:02一個粒子施加在一面容器壁上的力
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9:02 - 9:04面積是多少?
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9:04 - 9:12我們在意的是壓力
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9:12 - 9:14我們寫在上面了
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9:14 - 9:17壓力等於單位面積上的力
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9:17 - 9:24這是粒子所施加的力
-
9:24 - 9:28也就是mv2/x
-
9:28 - 9:30除以容器壁的面積
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9:30 - 9:31壁面積是多少?
-
9:31 - 9:35壁的面積 每個邊長都是x
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9:35 - 9:38所以如果是這個壁面 是x乘以x
-
9:38 - 9:39是x2
-
9:39 - 9:43所以除以容器壁的面積x2
-
9:43 - 9:44它等於什麽?
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9:44 - 9:52等於mv2/x3
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9:52 - 9:53你可以說
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9:53 - 9:55這是乘以1/x2
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9:55 - 9:56這一堆變成x3
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9:56 - 9:57這就是分數的性質
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9:57 - 9:59有意思的部分來了
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9:59 - 10:06這一個粒子産生的壓力
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10:01 - 10:15更多課程盡在網易公開課頻道 http://open.163.com/
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10:06 - 10:10設是這一粒子産生的
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10:10 - 10:17等於mv2/x3
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10:17 - 10:18x3是什麽?
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10:17 - 10:25加入網易翻譯小組 請發郵件至 163open@vip.163.com
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10:18 - 10:20那是容器的容積
-
10:20 - 10:22除以體積
-
10:22 - 10:27我把體積表示成大V 好嘛?
-
10:27 - 10:28看看我們能不能
-
10:28 - 10:30導出有趣的東西來
-
10:30 - 10:31所以它的意義就是
-
10:31 - 10:34這個粒子産生的壓力…
-
10:34 - 10:36嗯 我換個方式
-
10:36 - 10:39這是一個粒子對一面容器壁 對嘛?
-
10:39 - 10:41這是這個容器壁的一個粒子
-
10:41 - 10:43那麽 所有的粒子…
-
10:43 - 10:46在立方體中有N個粒子
-
10:46 - 10:47它們之中有多少
-
10:47 - 10:49會撞擊這個容器壁?
-
10:49 - 10:50有多少會
-
10:50 - 10:52和這個粒子一樣來回撞擊?
-
10:52 - 10:54我說過了
-
10:54 - 10:551/3的粒子會在這個方向上運動
-
10:55 - 10:571/3的粒子上下運動
-
10:57 - 10:591/3的粒子前後移動
-
10:59 - 11:01如果總共有N個粒子
-
11:01 - 11:04N/3個粒子的運動方式
-
11:04 - 11:06和這個粒子的相同
-
11:06 - 11:10這是一個粒子的壓力
-
11:10 - 11:12如果我想知道
-
11:12 - 11:13整個容器壁的壓力
-
11:13 - 11:15那麽壁面上的總壓力
-
11:15 - 11:18是由N/3個粒子引起的
-
11:18 - 11:20其余的粒子沒有撞擊這裡
-
11:20 - 11:21所以我們不用考慮他們
-
11:21 - 11:26所以如果我們要算總壓力
-
11:26 - 11:29我就寫 PW壁的壓力
-
11:29 - 11:31壁的總壓力PW就等於
-
11:31 - 11:33一個粒子産生的壓力
-
11:33 - 11:36mv2 除以V
-
11:36 - 11:38乘以 撞擊壁面的
-
11:38 - 11:39粒子的總數
-
11:39 - 11:45粒子的總數是N/3
-
11:45 - 11:47因爲只有1/3的粒子是這個方向的
-
11:47 - 11:49所以壁面上的總壓力
-
11:49 - 11:51就等於mv2
-
11:51 - 11:52除以容器的體積
-
11:52 - 11:54乘以粒子的總數除以3
-
11:54 - 11:57看看我們能不能整理一下
-
11:57 - 12:01所以如果我們把兩邊都乘以…
-
12:01 - 12:03怎麽辦好呢
-
12:03 - 12:08如果兩邊同時乘以3V
-
12:08 - 12:15得到PV乘以3 等於
-
12:15 - 12:20mv2乘以N
-
12:20 - 12:22其中N是粒子的總數
-
12:22 - 12:23再兩邊同時除以N
-
12:23 - 12:31所以就得到3PV除以…
-
12:31 - 12:34還是不要了 N留在這裡吧
-
12:34 - 12:41方程兩邊同時除以2
-
12:41 - 12:44就得到… 得到什麽?
-
12:44 - 12:48得到3/2PV等於…
-
12:48 - 12:49這很有趣
-
12:49 - 12:53它等於N 也就是總粒子數
-
12:53 - 12:57乘以mv2/2
-
12:57 - 12:59記得 我剛剛通過
-
12:59 - 13:01兩邊除以2得到了這個
-
13:01 - 13:02我這樣做是有特殊原因的
-
13:02 - 13:04mv2/2是什麽?
-
13:04 - 13:09mv2/2是
-
13:09 - 13:10這個例子開始時
-
13:10 - 13:11那個粒子的動能
-
13:11 - 13:13這是動能的表達
-
13:13 - 13:19動能等於mv2/2
-
13:19 - 13:28所以這是一個粒子的動能
-
13:28 - 13:30然後我們把它乘以
-
13:30 - 13:32總的粒子數
-
13:32 - 13:33乘以N
-
13:33 - 13:36所以N乘以一個粒子的動能
-
13:36 - 13:37就是所有粒子的
-
13:37 - 13:37動能
-
13:37 - 13:39當然 我們也可以再作一個假設
-
13:39 - 13:41我可以說 假設
-
13:41 - 13:42所有的粒子
-
13:42 - 13:44運動速度相同 並且質量相等
-
13:44 - 13:45而實際中
-
13:45 - 13:47粒子速度應該是不同的
-
13:47 - 13:49但這是個爲了簡化的假設
-
13:49 - 13:51那麽 假設它們的速度和質量相同
-
13:51 - 13:53所以 如果我乘以N…
-
13:53 - 13:54這部分
-
13:54 - 14:01是係統的動能
-
14:01 - 14:03快算好咯
-
14:03 - 14:04實際上 已經算好啦
-
14:04 - 14:06我們推出了
-
14:06 - 14:08係統的動能
-
14:08 - 14:12等於3/2乘以壓力
-
14:12 - 14:13再乘以係統的體積
-
14:13 - 14:16那麽係統的動能是什麽?
-
14:16 - 14:17它就是熱力學能
-
14:17 - 14:19因爲我們說過 係統中所有的能量
-
14:19 - 14:22因爲它是簡單的理想單分子氣體
-
14:22 - 14:23係統中所有的能量
-
14:23 - 14:24都以動能的形式存在
-
14:24 - 14:28所以我們可以說 係統的
-
14:28 - 14:31係統的熱力學能等於
-
14:31 - 14:33也就是係統的總動能
-
14:33 - 14:37它等於 3/2乘以總壓力
-
14:37 - 14:39乘以總體積
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14:39 - 14:40你可能會說 嘿 Sal
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14:40 - 14:42你剛剛只算出了這個方向的壓力
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14:42 - 14:44那麽 那個方向的壓力
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14:44 - 14:45和這個方向的 這個方向的
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14:45 - 14:46或者是整個立方體的壓力怎麽算
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14:46 - 14:48好吧 立方體內各處的壓力
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14:48 - 14:48都相等
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14:48 - 14:50所以我們只需要
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14:50 - 14:51算出一個方向的壓力
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14:51 - 14:52它就是
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14:52 - 14:53係統的壓力
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14:53 - 14:56所以接下來要怎麽做?
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14:56 - 14:58我們知道PV等於nRT
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14:58 - 15:00這是理想氣體方程
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15:00 - 15:05PV等於nRT
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15:05 - 15:07其中這個是氣體的物質的量
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15:07 - 15:09這是理想氣體常數
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15:09 - 15:10這是溫度 單位是克耳文
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15:10 - 15:12所以如果代入這個方程
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15:12 - 15:14我們會說 熱力學能
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15:14 - 15:15也可以寫成
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15:15 - 15:183/2 乘以物質的量
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15:18 - 15:20乘以理想氣體常數
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15:20 - 15:22乘以溫度
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15:22 - 15:24好啦 我講了這麽多
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15:24 - 15:25還算了些數
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15:25 - 15:28但是這結果 第一 很有意思
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15:28 - 15:30因爲現在你就得到了它們的直接關係
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15:30 - 15:32如果已知壓力和體積
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15:32 - 15:36你就知道了熱力學能的大小
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15:36 - 15:38或者說係統的總動能
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15:38 - 15:40或者 如果你知道了溫度
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15:40 - 15:43和分子數量
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15:43 - 15:44也可以求出
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15:44 - 15:46係統的熱力學能大小
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15:46 - 15:47有幾個關鍵 我希望
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15:47 - 15:48你們能留下印象
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15:48 - 15:50如果在理想情況下
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15:50 - 15:52溫度不變
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15:52 - 15:56也就是ΔT等於0
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15:56 - 15:57這個常數也不變
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15:57 - 15:58粒子數也不會變
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15:58 - 16:03然後熱力學能也就不變
-
16:03 - 16:06所以如果
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16:06 - 16:08熱力學能有變化…
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16:08 - 16:10以後的證明會用到這個
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16:10 - 16:11我們就可以說…
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16:11 - 16:16它等於 3/2nR再乘以…
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16:16 - 16:17呐 這是唯一能變的部分
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16:17 - 16:18不是粒子數
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16:18 - 16:20也不是理想氣體常數…
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16:20 - 16:21乘以T的變化
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16:21 - 16:24或者 它也可以寫成
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16:24 - 16:273/2乘以ΔPV
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16:27 - 16:29我們不知道這兩個哪個是定值
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16:29 - 16:30所以必須說是PV的“積”的變化
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16:30 - 16:32好啦 這集算數比較多
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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它給你了一點這樣的概念
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16:37 - 16:39這其實就是所有動能的總和
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16:39 - 16:40我們把它和
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16:40 - 16:42一些宏觀狀態函數聯係起來了
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16:42 - 16:44比如壓力 體積 和時間
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16:44 - 16:47接下來 既然我已經做了一集證明
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16:47 - 16:51我們以後可以直接用它證明別的
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16:48 - 16:50【字幕組】Eureka與Bazinga聯合制作
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16:50 - 16:52【翻譯】summerwind【時間軸】凡神
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16:51 - 16:53若果真如此 至少你不會抱怨太多
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16:52 - 16:54【校對】Bowie Vegetable Trazom
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16:53 - 16:54無論如何 下集見咯
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