📖 气体动理论简介

1气体动理论的历史发展

气体是由不停地随机运动着的分子或原子组成的。但由于分子太小，无法直接看到，人们是经过了几百年的摸索，才最终确定了这一点的。对气体性质的研究经历了一个从宏观特性到微观运动，再用微观运动来解释宏观特性的过程。

早期对气体的研究就是根据实验总结宏观规律，1662年，波义耳
（Robert Boyle，1627—1691）
  荷兰物理学家。 [人物] 总结出了气体的等温膨胀规律，即波义耳定律 [关系式] 。并基于这些实验观察，提出了两种气体微粒模型：第一种模型认为气体是由挤在一起的弹性微粒构成，第二种模型认为气体是由随机运动的微粒组成。虽然第二种模型给出了正确描述，但在当时并未产生多大影响。

1738年，伯努利
（Daniel Bernoulli，1700—1782）
  瑞士物理学家、数学家。 [人物] 在他的经典著作《流体动力学》（Hydrodynamica）中，首次明确提出了气体是由运动着的大量分子组成，压强是分子对壁面撞击的总效果，而温度是分子动能的体现。伯努利的流体力学理论得到了足够重视，但他有关气体组成的论断则并未得到承认。1848年，焦耳
（James Prescott Joule，1818—1889）
  英国物理学家。 [人物] 的一系列测量间接计算出了很多气体的分子速度，使分子运动理论逐渐得到人们的重视。

1857年，克劳修斯
（Rudolf Julius Emanuel Clausius，
1822－1888）
  德国物理学家、数学家。 [人物] 发展了一个气体分子运动模型，包括了分子的平移、旋转和振动，并且引入了分子平均自由程的概念，这个模型较好地解释了波义耳定律和盖·吕萨克定律 [关系式] 。1859年，麦克斯韦
（James Clerk Maxwell，1831—1879）
  英国物理学家、数学家。 [人物] 基于克劳修斯的理论，推导出了分子速度大小的分布公式，即麦克斯韦速率分布率。1871年，玻尔兹曼
（Ludwig Edward Boltzmann，1844—1906）
  奥地利物理学家、哲学家。 [人物] 推广了麦克斯韦的理论，提出了麦克斯韦-波尔兹曼速度分布率，包含了气体分子速度的大小和方向。

然而，虽然气体的分子运动理论在描述气体特性方面取得了巨大的成功，它仍然被当作是一种理论模型而不是一个事实，因为仍然没有证据直接证明分子或原子的存在。直到二十世纪初，很多物理学家仍然认为原子是纯粹的假设，而不是真正物质的结构。比如，著名的奥地利学者马赫
（Ernst Mach, 1838—1916）
  奥地利—捷克物理学家、哲学家 [人物] 就是坚决反对原子论的。一个重要的转折点是爱因斯坦
（Albert Einstein，1879—1955）
  这个不用多介绍了吧🤣 [人物] 在1905年和斯莫鲁霍夫斯基
（Marian Smoluchowski，1872—1917）
  奥地利物理学家 [人物] 在1906年发表的关于布朗运动的论文。同一时期在量子力学方面取得的诸多进展也使物质是由原子构成的观点成为主流。气体动理论终于不再是理论假设，而被公认为是对气体微观状态的事实描述。

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2理想气体模型

当然，气体动理论本身带有很多假设。毕竟在分子的量级上，已经有量子效应，用宏观的弹性来解释分子之间的作用力并不完全合理。而且，各种气体的分子形状不同，碰撞的效果也不同。为了有一个统一的气体理论，人们定义了一种理想气体，基本假设如下：

✵ 气体分子的尺寸远小于它们的间距，即分子的大小可忽略;

✵ 所有分子的性质完全相同;

✵ 分子数量巨大，满足统计规律;

✵ 分子不停息地做随机运动，分子之间、分子与壁面之间的碰撞都是完全弹性碰撞;

✵ 分子之间没有吸引力和排斥力，只在撞击时相互作用;

✵ 相对于分子自由运动时长，碰撞时长可忽略;

✵ 分子运动完全符合经典力学，相对论效应和量子效应都可忽略。

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这些假设是在麦克斯韦的时代做出的，属于经典的气体动理论。现代的气体动理论还在不断发展中，新的理论考虑了分子尺寸和形状的影响，上面这些假设条件多数都可以放宽，只保留最后一条（无相对论和量子效应）就可以了。不过一般在介绍气体动理论的原理时，为了数学上简单易懂，使用的仍然是经典的理想气体模型。

从理想气体模型出发，用气体动理论可以推导出很多有用的结论，比如气体的状态方程，这样就把早期的波义耳定律和盖·吕萨克定律等实验规律总结成了理论。

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