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​物态方程的压强修正

 cosmos2062 2024-03-21 发布于广东
果考虑粒子之间有相互作用,对物态方程除了做体积修正外,还要做压强修正,在理想气体的压强的基础上减去一项由长程引力导致的压强差额,才是宏观上测得的压强
理想气体的微观模型中,我们曾经假定,气体粒子之间除了碰撞,没有其他相互作用。对于常温常压下的稀薄气体,这个假设是对实际气体的一种很好的近似。然而,在许多情况下,粒子之间的相互作用不能被忽略,必须考虑由它们带来的效应。
在对理想气体做体积修正的问题中,我们提到气体粒子之间相互作用的特点:当两个粒子相距较近时,它们之间是相互排斥的,而当它们相距较远时,相互作用却是吸引力。
先看两个粒子之间的相互作用会带来什么效果。设想容器中只有一个气体粒子 ,它从远处以速度 朝向容器内表面上的粒子 运动。当 从远处开始运动时,并不受 的影响。当 逐渐靠近 时,因受吸引而加速。当两个粒子靠得很近时,排斥力开始生效, 开始减速,并最终与 发生碰撞。碰撞发生之后, 先是因排斥力而加速离开,随后相互作用变成吸引力,从而减速,最终远离 ,速率恢复碰撞前在远处的数值。在这整个过程中, 会随 的吸引力或排斥力内外微移。于是,由这两个相互碰撞的粒子组成的系统,在经过碰撞后, 的动量发生了改变 ,与不考虑相互作用的情况下动量的改变相同。这意味着,在碰撞的过程中, 接受的冲量与是否考虑相互作用无关。因此,相互碰撞的两个粒子之间的相互作用并不会对碰撞的终态带来任何附加的效应。

当然,在容器中除了粒子 外,还有大量其余粒子,这些粒子也像 一样,与 的相互作用不会对碰撞的终态带来任何附加的效应。由此看来,气体粒子与容器内表面上的粒子的相互作用不会带来任何宏观上可观测的效应。但是,气体粒子之间的相互作用却会带来不一样的效果。
在上述 两个粒子的整个碰撞过程中,气体中其余粒子由于离开 比较远,与它的相互作用是吸引力。当 离开 比较远时,它受到的这些吸引力基本上是各向同性的,并不会对自身的状态带来有效的影响。但是,当 比较接近 时,特别是在碰撞发生前的一小段时间内, 前方粒子的数量明显比后方粒子的数量少得多,这时候, 后方粒子对它的吸引力就明显胜于前方的吸引力。这种情况带来的结果是, 的速度的 分量变小了。于是,在碰撞时传递给 的动量也变小了。当然,碰撞后的情况则刚好相反, 由于吸引力而加速离开 ,最终速率恢复原值。碰撞过程的结果是, 的动量改变仍然是 。但是,碰撞前后速度发生的改变与 无关, 传递给 的动量最终小于 的动量改变量。由于压强正比与 接受的冲量,因此,当考虑相互作用后,施加于容器内表面上的压强比不考虑相互作用时的压强小,两者之间有一个差额

在理想气体的物态方程中,压强是未考虑相互作用时的值。当考虑相互作用后,要在这个压强的基础上减去上述差额,才是宏观上测得的压强:

对上述等式稍作整理,就得到对理想气体的物态方程的压强修正:
从微观的视角看,理想气体的压强正比于气体粒子的数密度,压强的上述差额当然也顺应这个关系:
其中 是每一个粒子因其余粒子的吸引力而导致的施加于容器内表面上的动量的减小量,它正比于吸引力的数值,而吸引力的数值则正比于粒子的数密度。于是,压强的上述差额就可以表示成
公式中的 是一个反映粒子之间相互作用强度的比例系数。

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