分子热运动的统计规律

气体动理论是从物质的微观结构出发来阐述宏观热现象的实质，根据大量实验事实，对物质的微观结构模型概括如下：

（1）宏观物体是由大量分子（或原子）组成的，分子线度约为10-10m数量级，质量也很小．实验表明，组成物质的分子之间存在一定的间隙．现在有很多仪器可以观察或测量分子或原子的大小和它们的排布，如电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等．

（2）分子在不停地作无规则运动，剧烈程度与物体的温度有关．

（3）分子之间存在相互作用力，既有引力，也有斥力，称为分子力．分子只有相互接近到一定距离时（约10-9m）引力才会出现，而斥力出现的距离还要小．图4.1为分子力与分子间距离r的关系图．当r＜r0（约10-10m）时，分子力表现为斥力；当r=r0时，分子力为零；当r＞r0时，则表现为引力．分子力为短程力，当r＞10-9时，分子力可以忽略．

图4.1　分子力与分子间距的关系

由于热学的研究对象是大量分子组成的热力学系统，分子又在不停地运动，频繁地发生碰撞，使得分子的位置、速度都具有一定的偶然性，即分子的运动具有无序性．从微观上看，虽然每个分子的运动都遵循牛顿定律，但由于分子热运动的无序性，我们无法用牛顿力学的方法跟踪每个分子并找出其运动规律．那么是否分子运动的规律性我们就无法进行研究了呢？

实际上，对于平衡态的气体，不管单个分子的运动状态具有怎样的偶然性，但大量分子的整体却具有一定的规律性，这种大量偶然事件的整体在一定条件下所表现出的规律称为统计规律．气体动理论就是用统计的方法研究这种规律性．我们可以对大量分子的微观量（如分子速率、分子动能等）取统计平均，建立描述系统整体性质的宏观量与微观统计平均值之间的关系，从而揭示气体宏观现象的微观本质．本章要讨论的压强、温度、内能、能量均分定理、麦克斯韦速率分布率等都是对大量分子进行统计研究的结果．