Средняя квадратичная скорость молекул - среднее квадратическое значение модулей скоростей всех молекул рассматриваемого количества газа

Таблица значений средней квадратичной скорости молекул некоторых газов

Для того чтоб понять, откуда же у нас получается эта формула, мы выведем среднюю квадратичную скорость молекул. Вывод формулы начинается с основного уравнения молекулярно кинетический теории (МКТ):

Где у нас количество вещества, для более легкого доказательства, возьмем на рассмотрение 1 моль вещества, тогда у нас получается:

Если посмотреть, то PV это две третьих средней кинетической энергии всех молекул (а у нас взят 1 моль молекул):

Тогда, если приравнять правые части, у нас получается, что для 1 моля газа средняя кинетическая энергия будет равняться:

Но средняя кинетическая энергия, так же находится, как:

А вот теперь, если мы приравняем правые части и выразим из них скорость и возьмем квадрат,Число Авогадро на массу молекулы, получается Молярная масса то у нас и получится формула для средней квадратичной скорости молекулы газа:

А если расписать универсальную газовую постоянную, как , и за одно молярную массу , то у нас получится?

В Формуле мы использовали:

Средняя квадратичная скорость молекул

Постоянная Больцмана

где = 0,001кг/моль – молярная масса водорода. Поэтому

2.4.2. Определить среднюю кинетическую энергию поступательного движения одной молекулы воздуха при нормальных условиях. Концентрация молекул при нормальных условиях n 0 = 2,7*10 25 м -3

Анализ и решение. Из основного уравнения молекулярно – кинетической теории газов

Дж

2.4.3. Найти среднюю кинетическую энергию вращательного движения одной молекулы кислорода при температуре Т = 350К, а так же кинетическую энергию вращательного движения всех молекул, содержащихся в m = 4г кислорода.

Анализ и решение.

Известно, что на каждую степень свободы молекулы газа приходится одинаковая средняя энергия, выражаемая формулой

где к – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура газа.

Так как вращательному движению двухатомной молекулы (молекула кислорода - двухатомная) приписываются две степени свободы, то средняя энергия вращательного движения молекулы кислорода выразится формулой

Учитывая, что к = 1,38*10 -23 Дж/К и Т = 350К, получим

=1,38*10 -23 * 350 Дж = 4,83*10 -21 Дж.

Кинетическая энергия вращательного движения всех молекул газа определяется равенством

w = N (1)

Число всех молекул газа можно вычислить по формуле

N = N A  (2)

где N A – число Авогадро,  - число киломолей газа.

Если учесть, что число киломолей

где m – масса газа, - масса одного киломоля газа, то формула (2) примет вид N = N A

Подставив это выражение для N в формулу (1) получим

w = N A (3)

Выразим величины, входящие в эту формулу, в единицах СИ, и подставим в формулу (3):

2.4.4. Вычислить удельные теплоемкости при постоянном объеме С V и при постоянном давлении неона и водорода, принимая эти газы за идеальные.

Анализ и решение.

Удельные теплоемкости идеальных газов выражаются формулами:

С V = (1)

С р =
(2)

где і – число степеней свободы молекулы газа, - молярная масса.

Для неона (одноатомный газ) і = 3 и = 20*10 -3 кг/моль.

Вычисляя по формулам (1) и (2), получим: С V =
Дж/кг*к

С р =
Дж/кг*к

Для водорода (двухатомный газ) і = 3 и = 2*10 -3 кг/моль. Вычисляя по тем же формулам, получим:

С V =
Дж/кг*к

С р =
Дж/кг*к

2.4.5. Найти среднюю квадратичную скорость, среднюю кинетическую энергию поступательного движения и среднюю полную кинетическую энергию молекул гелия и азота при температуре t = 27 0 С. Определить полную энергию всех молекул 100 г каждого из газов.

Анализ и решение.

Средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы любого газа однозначно определяется его термодинамической температурой:

= (1)

где к = 1,38*10 -23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Однако средняя квадратичная скорость молекул газа зависит от массы его молекул:

(2)

где m 0 – масса одной молекулы.

Средняя полная энергия молекулы зависит не только от температуры, но и от структуры молекул – от числа i степеней свободы: = ikT/2

Полная кинетическая энергия всех молекул, равная для идеального газа его внутренней энергии, может быть найдена, как произведение на число всех молекул:

Очевидно, N = N А m/ (5)

где m – масса всего газа, отношении m/ определяет число молей, а N А – постоянная Авогадро. Выражение (4) с учетом уравнения Клапейрона – Менделеева позволит рассчитать полную энергию всех молекул газа.

Согласно равенству (1) < W о п > = 6,2*10 -21 Дж, причем средняя энергия поступательного движения одной молекулы и гелия и азота одинаковы.

Среднюю квадратичную скорость находим по формуле

, где R = 8,31Дж/к моль

Для гелия V кв = 13,7*10 2 м/с

Для азота V кв = 5,17*10 2 м/с

Гелий одноатомный газ, следовательно, i = 3, тогда < W о п > = W о = 6,2*10 -21 Дж.

Азот – двухатомный газ, следовательно, i = 5 и < W о п > = 5/2 кТ = 10,4*10 -21 Дж.

Полная энергия всех молекул после подстановки выражений (3) и (5) в (4) имеет вид

W = кТ
=

Для гелия W = 93,5 кДж, для азота W = 22,3 кДж.

Примеры решения задач. 1.3.1. Средняя квадратичная скорость молекул некоторого газа 450 м/с

1.3.1. Средняя квадратичная скорость молекул некоторого газа 450 м/с. Давление газа 50 кПа. Найти плотность газа при этих условиях.

Решение. Средняя квадратичная скорость молекул газа связана с его температурой соотношением

где R – универсальная газовая постоянная;

m – молекулярная масса газа;

T – абсолютная температура газа.

Для определения температуры газа воспользуемся уравнением Менделеева-Клапейрона

где r=m/V – плотность газа.

Следовательно

Подставляя численные значения имеем

1.3.2. Найти среднюю длину свободного пробега молекул воздуха при нормальных условиях. Эффективный диаметр молекул воздуха s=0,3 нм.

Решение. Средняя длина свободного пробега молекул газа

где – средняя арифметическая скорость молекул;

– среднее число столкновений каждой молекулы с остальными молекулами в единицу времени;

s – эффективный диаметр молекулы;

n – число молекул в единице объема (концентрация молекул). Для определения числа молекул в единице объема воспользуемся основным уравнением молекулярно-кинетической теории для давления

где k – постоянная Больцмана;

Т – температура газа.

Тогда для средней длины свободногопробегаимеем

Подставляячисленные значения, окончательно получаем:

м.

1.3.3. Найти среднее число столкновений в единицу времени молекул углекислого газа при температуре 100 o С, если средняя длина свободного пробега =870 мкм.

Решение. Число столкновений молекул газа в единицу времени связаносо средней длиной свободного пробега соотношением

где – средняя арифметическая скорость.

Следовательно,

Подставляячисленные значения имеем

1.3.4. При некотором давлении и температуре 0 o С средняя длина свободного пробега молекул кислорода 95 нм. Найти среднее число столкновений в единицу времени молекул кислорода, если давление кислорода уменьшить в 100 раз.

Решение. Среднее число столкновений в единицу времени

где =(8RT/pm) 1/2 – средняя арифметическая скорость молекул газа;

– средняя длина свободного пробега молекул.

При изменении давления газа длины свободного пробега обратно пропорциональныдавлению:

где l 1 , l 2 – длина свободного пробега молекул газа при соответствующих давлениях p 1 и p 2 .

В нашем случае:

Подставляя численные значения для , имеем

1.3.5. Какая часть молекул кислорода при t=0 o С обладает скоростями от 100 до 110 м/с?

Решение. Распределение молекул по скоростям можно определить из закона Максвелла

где u=v/v в – относительная скорость;

v – данная скорость;

v в =(2RT/m) 1/2 – наиболее вероятная скорость молекул;

Du – интервал относительных скоростей, малый по сравнению со скоростью u.

Тогда искомая часть молекул, которую необходимо определить (распределение молекул по скоростям)

В нашем случае v=100 м/с; v=10 м/с; Наиболее вероятная скорость v=(2RT/pm) 1/2 =376 м/с. Следовательно, u=v/v в =100/376, u 2 =0,071; Du=10/376; exp(-u 2)=0,93.

Таким образом, число молекул кислорода, скорости которых лежат в указанном интервале, равно 4%общего числа молекул.

1.3.6. Сосуд, содержащий газ, движется со скоростью v o , затем быстро останавливается. На сколько увеличится при этом средний квадрат скорости теплового движения молекул газа в случаях: одноатомного газа? Двухатомного газа? Газ считать идеальным.

Решение. Воспользуемся законом сохранения энергии. Пусть M-масса газа в сосуде. Двигаясь со скоростью v газ, как целое, обладает кинетической энергией

W к =Mv o 2 /2.

Эта формула определяет кинетическую энергию направленного движения молекул, в котором ониучаствуют вместе с сосудом. После остановки сосуда направленное движение молекул в результате их соударений со стенками сосуда очень скоропревратится в хаотическое.

Пренебрегая теплообменом между газом и стенкамисосуда за рассматриваемый промежуток времени, можно газ считать изолированной системой. Тогда из закона сохранения энергии следует, что "исчезнувшая" кинетическая энергия направленного движения молекул W должна быть равна приросту энергии хаотического движения молекул (приросту внутренней энергии DU:

Определим внутреннюю энергию газа. Для идеального одноатомного газа это есть энергия поступательного хаотического движения молекул:

где m – масса молекулы;

N – число молекул в сосуде.

Отсюда следует, что изменение внутренней энергии одноатомного газа при торможении

DU=U 2 –U 1 =M/2,

где v кв1 ,v кв2 – средние квадратичные скорости молекул газа соответственно в начале и конце торможения.

Подставив в уравнение W к =DU значения W к и DU, получим первый ответ

v 2 кв2 -v 2 кв1 =v 2 o .

Внутренняя энергия идеального двухатомного газа складывается из энергий поступательного и вращательного движения молекул. При этом три степени свободы приходятся на поступательное движение и две - на вращательное. В соответствии сзакономо равномерном распределении энергии по степенямсвободы, три пятых кинетической энергии W пойдет на увеличениеэнергии поступательного движения молекул и две пятых - на увеличение энергии их вращательного движения. Таким образом, теперь имеем

Откуда получим второй ответ:

1.3.7. Какая часть молекул водорода, находящегося при температуре T, обладает скоростями, отличающимися от наиболее вероятной скорости не свыше чем на 5,0 м/с? Задачу решить для двух значений T: 1) 400 К, 2) 900 К.

Решение. Распределение молекул по скоростям выражается законом Максвелла: число молекул DN, относительные скорости которых лежат в интервале от u до u+Du:

где N-полное число молекул газа;

– функция распределения Максвелла;

u=v/v в – относительная скорость;

v – данная скорость;

v в – наиболее вероятная скорость.

Закон распределения Максвелла оказывается справедливым при условии Du

Отсюда найдем ту часть молекул, относительные скорости которых лежат в интервале Du:

Прежде чем производить расчеты, необходимо убедиться в том, что выполняется условие Du

Чтобы вычислить Du, найдем сначала наиболее вероятную скорость при Т=400 К и Т=900 К по формуле:

v в1 =2×8,31×400/0,002=1,82×10 3 м/с,

v в2 =2×8,31×900/0,002=2,73×10 3 м/с.

Подставляя эти значения v в и имея в виду, что Dv=10 м/с, поскольку в задаче идетречь о скоростях, лежащих в интервале от v в =-5,0 м/с до v в =+5,0 м/с, получим:

Du 1 =1/182, Du 2 =1/273.

Так как u=1, видим, что условие Du

Теперь найдем

DN 1 /N=4/((3,14) 1/2 ×2,7×182)=0,0046,

DN 2 /N=4/((3,14) 1/2 ×2,7×273)=0,0030.

Таким образом, приувеличении температуры наиболее вероятная скорость молекул увеличивается,а числомолекул, скорости которых лежат в одном и том же интервале около наиболее вероятной, уменьшается.

ОКПО 02508493, ОГРН 1023402637565, ИНН/КПП 3442017140/ 344201001

Научно-исследовательская работа

«Определение средней квадратичной скорости

молекул воздуха»

Выполнил:

Студент группы Т-113

Волков Илья Владимирович,

Руководитель:

Преподаватель физики

Мельникова Ольга Павловна

Волгоград, 2014

II . Расчёт средней квадратичной скорости молекул:

Экспериментальным путём.

Оборудование: стеклянный шар для определения массы воздуха, резиновая трубка, винтовой зажим, весы, насос, мензурка.

Перед началом опыта стеклянный шар открыт и давление воздуха в шаре равно атмосферному, которое можно определить при помощи барометра. С помощью электронных весов определяется масса стеклянного шара вместе с резиновой трубкой и винтовым зажимом. Затем с помощью насоса необходимо откачать из шара большую часть воздуха, повторно определить массу шара и по полученным результатам найти массу откачанного воздуха. Ту часть объема шара, который занимал воздух, можно определить, если дать возможность жидкости заполнить откачанный объем, для чего резиновую трубку опускают в сосуд с водой и ослабляют зажим. Затем при помощи мензурки определяется объем воды в шаре. Таким образом, зная объем V и массу m воздуха, а также первоначальное давление P , по формуле (2) можно определить среднюю квадратичную скорость молекул воздуха.

Порядок выполнения работы

1. Определите по барометру атмосферное давление.

2. При помощи весов определите массу шара с воздухом, резиновой трубкой и винтовым зажимом.

3. Откачайте при помощи насоса часть воздуха из шара, перекройте резиновый шланг зажимом, и еще раз определите массу шара с резиновой трубкой и винтовым зажимом.

4. Определите массу откачанного из шара воздуха.

5. Опустите конец резиновой трубки в сосуд с водой и ослабьте винтовой зажим. Вода заполнит часть объема шара, которую занимал откачанный воздух.

6. Определите объем воды в шаре при помощи измерительного сосуда (мензурки).

7. Подставьте найденные значения p , m и V в формулу (2) и вычислите величину .

8. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:

№ п/п

p , Па

V ,

m , кг

М/с

100641,5

0,05*

0,084

423,9

= = 423,9 м/с.

2 . С помощью классической формулы

Посчитаем, например, среднюю скорость молекул газа в классной комнате:

T=294K ( t =21 C ), М=0,029 г/моль(табличное значение). С учетом этого имеем:

= = = 502,7 м/с

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

1. Основные положения молекулярно-кинетической теории, строение вещества с точки зрения МКТ.

2. Что называют атомом? Молекулой?

3. Что называют количеством вещества? Какова его единица (дайте определение)?

4. Что называют молярной массой молярным объемом?

5. Каким образом можно определить массу молекул; размер молекул.Какова примерно масса молекул и их размеры?

6. Опишите опыты, подтверждающие основные положения МКТ.

7. Что называется идеальным газом? Каким условиям он должен удовлетворять? При каких условиях реальный газ по своим свойствам близок к нему?

8. Запишите формулы для средней арифметической скорости, средней квадратичной скорости.

9. Что доказывают опыты по диффузии? Броуновскому движению? Объясните их на основе МКТ

10. Что доказывает опыт Штерна? Объясните на основе МКТ.

11. Выведите и сформулируйте основное уравнение МКТ. Какие допущения используют при выводе основного уравнения МКТ.

12. Что характеризует температура тела?

13. Формулировка и математическая запись законов Дальтона, Бойля Мариотта, Гей Люссака, Шарля.

14. Какова физическая сущность абсолютного нуля температуры? Запишите связь абсолютной температуры с температурой по шкале Цельсия. Достижим ли абсолютный нуль, почему?

15. Как объяснить давление газов с точки зрения МКТ? От чего оно зависит?

16. Что показывает постоянная Авогадро? Чему равно ее значение?

17. Чему равно значение универсальной газовой постоянной?

18. Чему равно значение постоянной Больцмана?

19. Написать уравнение Менделеева – Клапейрона. Какие величины входят в формулу?

20. Написать уравнение Клапейрона. Какие величины входят в формулу?

21. Что называется парциональным давлением газа?

22. Что называется изопроцессом, какие изопроцессы знаете.

23. Понятие, определение, внутренняя энергия идеального газа.

24. Параметры газа. Вывод объединенного газового закона.

25. Вывод уравнения Менделеева-Клапейрона.

26. Что называется: молярной массой вещества, количеством вещества, относительной атомной массой вещества, плотностью, концентрацией, абсолютной температурой тела? В каких единицах они измеряются?

27. Давление газа. Единицы измерения давления в СИ. Формула. Приборы для измерения давления.

28. Опишите и объясните две температурные шкалы: термодинамическую и практическую.

30. Сформулируйте законы, описывающие все виды изопроцессов?

31. Начертите график зависимости плотности идеального газа от термодинамической температуры для изохорного процесса.

32. Начертите график зависимости плотности идеального газа от термодинамической температуры для изобарного процесса.

33. Чем отличается уравнение Клапейрона-Менделеева от уравнения Клапейрона?

34. Запишите формулу средней кинетической энергии идеального газа.

35. Средняя квадратичная скорость теплового движения молекул.

36. Средняя скорость хаотического движения молекул.

2. Частицы, из которых состоят вещества, называют молекулами. Частицы, из которых состоят молекулы, называют атомами.

3. Величина, которая определяет количество молекул в данном образце вещества, называется количеством вещества. один моль - это количество вещества, которое содержит столько же молекул, сколько атомов углерода содержится в 12 г углерода.

4. Моля́рная ма́сса вещества - масса одного моля вещества (г/моль) Моля́рный объём - объём одного моль вещества, величина, получающаяся от деления молярной массы на плотность.

5. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы: m0 = m/N = m/vNA = М/NA Диаметром молекулы принято считать минимальное расстояние, на которое им позволяют сблизиться силы отталкивания. Однако понятие размера молекулы является условным. Средний размер молекул порядка 10-10 м.

7. Идеальный газ – это модель реального газа, которая обладает следующими свойствами:
Молекулы пренебрежимо малы по сравнению со средним расстоянием между ними
Молекулы ведут себя подобно маленьким твердым шарикам: они упруго сталкиваются между собой и со стенками сосуда, никаких других взаимодействий между ними нет.

Молекулы находятся в непрекращающемся хаотическом движении. Все газы при не слишком высоких давлениях и при не слишком низких температурах близки по своим свойствам к идеальному газу. При высоких давлениях молекулы газа настолько сближаются, что пренебрегать их собственными размерами нельзя. При понижении температуры кинетическая энергия молекул уменьшается и становится сравнимой с их потенциальной энергией, следовательно, при низких температурах пренебрегать потенциальной энергией нельзя.

При высоких давлениях и низких температурах газ не может считаться идеальным. Такой газ называют реальным. (Поведение реального газа описывается законами, отличающимися от законов идеального газа.)

А если расписать универсальную газовую постоянную, как , и за одно молярную массу , то у нас получится?

В Формуле мы использовали:

Средняя квадратичная скорость молекул

Постоянная Больцмана

Температура

Масса одной молекулы

Универсальная газовая постоянная

Молярная масса

Количество вещества

Средняя кинетическая энергия молекул

Число Авогадро

Средняя арифметическая скорость молекул опрделяется по формуле

где М - молярная масса вещества.

9. Броуновское движение. Однажды в 1827 г. английский ученый Р. Броун, изучая растения при помощи микроскопа, обнаружил очень необычное явление. Плавающие на воде споры (мелкие семена некоторых растений) скачкообразно двигались без видимых на то причин. Броун наблюдал это движение (см. рисунок) несколько дней, однако так и не смог дождаться его прекращения. Броун понял, что имеет дело с неизвестным науке явлением, поэтому он очень подробно его описал. Впоследствии это явление учёные-физики назвали по имени первооткрывателя – броуновским движением.

Объяснить броуновское движение невозможно, если не предположить, что молекулы воды находятся в беспорядочном, никогда не прекращающемся движении. Они сталкиваются друг с другом и с другими частицами. Наталкиваясь на споры, молекулы вызывают их скачкообразные перемещения, что Броун и наблюдал в микроскоп. А поскольку молекулы в микроскоп не видны, то движение спор и казалось Броуну беспричинным.

Диффузия

Как же объяснить ускорение этих явлений? Объяснение одно: повышение температуры тела приводит к увеличению скорости движения составляющих его частиц.

Итак, каковы же выводы из опытов?Самостоятельное движение частиц веществ наблюдается при любой температуре. Однако при повышении температуры движение частиц ускоряется, что приводит к возрастанию ихкинетической энергии . В результате эти более «энергичные» частицы ускоряют протекание диффузии, броуновского движения и других явлений, например растворения или испарения.

10. Опыт Штерна – опыт, в котором была экспериментально измерена скорость молекул. Было доказано, что разные молекулы в газе обладают разной скоростью, а при заданной температуре можно говорить о распределении молекул по скоростям и о средней скорости молекул.