MCT alapegyenlet és hőmérsékletmérés

Tartalomjegyzék:

MCT alapegyenlet és hőmérsékletmérés
MCT alapegyenlet és hőmérsékletmérés
Anonim

A statisztikai rendszerekben lezajló folyamatok tanulmányozását nehezíti a részecskék minimális mérete és óriási száma. Gyakorlatilag lehetetlen minden részecskét külön-külön megvizsgálni, ezért statisztikai mennyiségeket vezetünk be: a részecskék átlagos sebességét, koncentrációját, részecsketömeget. A rendszer állapotát a mikroszkopikus paraméterek figyelembevételével jellemző képletet a gázok molekuláris-kinetikai elméletének (MKT) alapegyenletének nevezzük.

Egy kicsit az átlagos részecskesebességről

A részecskék sebességének meghatározását először kísérletileg végezték el. Az iskolai tantervből jól ismert kísérlet, amelyet Otto Stern végzett, lehetővé tette a részecskesebességről alkotott elképzelést. A kísérlet során az ezüstatomok mozgását vizsgálták forgó hengerekben: először a berendezés álló állapotában, majd bizonyos szögsebességgel forogva.

Ennek eredményeként azt találták, hogy az ezüstmolekulák sebessége meghaladja a hangsebességet, és 500 m/s. A tény meglehetősen érdekes, mivel az ember nehezen érzékeli a részecskék ilyen sebességét az anyagokban.

Ideális gáz

Folytasd a kutatástEz csak olyan rendszerben tűnik lehetségesnek, amelynek paraméterei fizikai műszerekkel történő közvetlen méréssel meghatározhatók. A sebességet sebességmérővel mérik, de a sebességmérő egyetlen részecskére történő rögzítése abszurd. Csak a részecske mozgásához kapcsolódó makroszkopikus paraméter mérhető közvetlenül.

főegyenlet mkt
főegyenlet mkt

Vegye figyelembe a gáznyomást. Az edény falára nehezedő nyomást az edényben lévő gázmolekulák becsapódása hozza létre. Az anyag gázhalmazállapotának sajátossága a részecskék közötti kellően nagy távolságokban és kis kölcsönhatásban rejlik egymással. Ez lehetővé teszi a nyomás közvetlen mérését.

A kölcsönható testek bármely rendszerét a potenciális energia és a mozgás kinetikus energiája jellemez. A valódi gáz összetett rendszer. A potenciális energia változékonysága nem alkalmas rendszerezésre. A probléma megoldható egy olyan modell bevezetésével, amely a gáz jellemző tulajdonságait hordozza, félresöpörve a kölcsönhatás bonyolultságát.

Az ideális gáz olyan halmazállapot, amelyben a részecskék kölcsönhatása elhanyagolható, a kölcsönhatás potenciális energiája nullára hajlik. Csak a mozgás energiája tekinthető jelentősnek, amely a részecskék sebességétől függ.

mkt gázok alapegyenlete
mkt gázok alapegyenlete

Ideális gáznyomás

A gáznyomás és a részecskék sebessége közötti kapcsolat feltárása lehetővé teszi az ideális gáz MKT-jának alapegyenletét. Az edényben mozgó részecske a falnak ütközve impulzust ad át neki, melynek értéke a második törvény alapján határozható meg. Newton:

F∆t=2m0vx

Egy részecske lendületének változása a rugalmas ütközés során a sebesség vízszintes komponensének megváltozásával jár. F a részecske oldaláról a falra ható erő rövid ideig t; m0 – részecsketömeg.

Minden gázrészecske ütközik az S terület felületével ∆t idő alatt, vx sebességgel haladva a felület irányába, és egy Sυ térfogatú hengerben helyezkedik el. x Δt. Az n részecskekoncentrációnál a molekulák pontosan a fele a fal felé, a másik fele az ellenkező irányba mozog.

Az összes részecske ütközését figyelembe véve felírhatjuk Newton törvényét a területre ható erőre:

F∆t=nm0vx2S∆t

Mivel a gáznyomást a felületre merőlegesen ható erőnek az utóbbi területéhez viszonyított arányaként definiáljuk, ezt írhatjuk:

p=F: S=nm0vx2

A kapott reláció, mint az MKT alapegyenlete, nem írja le a teljes rendszert, mivel csak egy mozgásirányt veszünk figyelembe.

Maxwell disztribúció

főegyenlet mkt
főegyenlet mkt

A gázrészecskék falakkal és egymással való folyamatos, gyakori ütközései a részecskék bizonyos statisztikai eloszlásának megállapításához vezetnek a sebességek (energiák) tekintetében. Minden sebességvektor iránya egyformán valószínű. Ezt az eloszlást Maxwell-eloszlásnak nevezik. 1860-ban ez a minta voltJ. Maxwell származtatta az MKT alapján. Az eloszlási törvény főbb paramétereit sebességeknek nevezzük: valószínű, a görbe maximális értékének megfelelő, és a négyzetgyökér vkv=√‹v2 › - a részecskesebesség középnégyzete.

A gáz hőmérsékletének növekedése a sebesség növekedésének felel meg.

Annak alapján, hogy minden sebesség egyenlő, és a moduljaik azonos értékűek, feltételezhetjük:

‹v2›=‹vx2› + ‹v y2› + ‹vz2›, innen: ‹ vx2›=‹v2›: 3

Az MKT alapegyenlete a gáznyomás átlagértékét figyelembe véve a következő:

p=nm0‹v2›: 3.

Ez az összefüggés abban egyedülálló, hogy meghatározza a mikroszkopikus paraméterek közötti kapcsolatot: sebesség, részecsketömeg, részecskekoncentráció és általában a gáznyomás.

A részecskék kinetikus energiájának fogalmát használva az MKT alapegyenlete másképp is átírható:

p=2nm0‹v2›: 6=2n‹Ek›: 3

Egy gáz nyomása arányos részecskéi kinetikus energiájának átlagos értékével.

Hőmérséklet

Érdekes, hogy egy zárt edényben állandó gázmennyiség esetén összefüggésbe hozható a gáznyomás és a részecske mozgási energiájának átlagos értéke. Ebben az esetben a nyomást az energia mérésével lehet mérnirészecskék.

Mit tegyek? Milyen értéket lehet összehasonlítani a mozgási energiával? A hőmérséklet ilyen értéknek bizonyul.

főegyenlet mkt
főegyenlet mkt

A hőmérséklet az anyagok termikus állapotának mértéke. Méréséhez hőmérőt használnak, melynek alapja a munkafolyadék (alkohol, higany) hőtágulása hevítéskor. A hőmérő skála kísérleti úton készül. Általában valamilyen állandó termikus állapotban végbemenő fizikai folyamat során (forrásban lévő víz, olvadó jég) a munkaközeg helyzetének megfelelő jeleket helyeznek el rajta. A különböző hőmérőknek különböző skálája van. Például Celsius, Fahrenheit.

ideális gáz mkt-jének alapegyenlete
ideális gáz mkt-jének alapegyenlete

Univerzális hőmérsékleti skála

A gázhőmérők érdekesebbnek tekinthetők a munkaközeg tulajdonságaitól való függetlenség szempontjából. Mértékük nem függ a használt gáz típusától. Egy ilyen készülékben hipotetikusan ki lehet választani azt a hőmérsékletet, amelyen a gáznyomás nullára hajlik. A számítások azt mutatják, hogy ez az érték -273,15 oC-nak felel meg. A hőmérsékleti skálát (abszolút hőmérsékleti skála vagy Kelvin-skála) 1848-ban vezették be. A skála fő pontjának a nulla gáznyomás lehetséges hőmérsékletét vettük. A skála egységnyi szegmense megegyezik a Celsius-skála egységértékével. Kényelmesebbnek tűnik az alapvető MKT egyenletet a hőmérséklet segítségével felírni a gázfolyamatok tanulmányozásakor.

A nyomás és a hőmérséklet kapcsolata

Tempirikusan ezt ellenőrizhetia gáznyomás és a hőmérséklet arányossága. Ugyanakkor azt találták, hogy a nyomás egyenesen arányos a részecskék koncentrációjával:

P=nkT,

ahol T az abszolút hőmérséklet, k egy állandó, egyenlő 1,38•10-23J/K.

Az alapértéket, amelynek minden gázra állandó értéke van, Boltzmann-állandónak nevezzük.

A nyomás hőmérséklettől való függését és az MKT gázok alapegyenletét összehasonlítva felírhatjuk:

‹Ek›=3kT: 2

A gázmolekulák mozgásának kinetikus energiájának átlagos értéke arányos a hőmérsékletével. Vagyis a hőmérséklet a részecskék mozgásának kinetikus energiájának mértékeként szolgálhat.