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氣體動力論--理想氣體

mypig0920 | 2024-09-09 21:43:48 | 巴幣 0 | 人氣 144

氣體動力論(kinetic molecular theory)的部分摘要

最近剛好讀到氣體相關章節,所以決定創作這篇。
本篇主要參考普通化學及高中化學課本。
本篇主要針對理想氣體紀錄。

前言

在選修化學第一冊就提到氣體這個單元,透過波以耳(Boyle)、查理(Charles)、亞佛加厥(Avogadro)
的實驗結果整理出 PV=nRT ,但並沒有提及理論推導,好像在高三物理會有相關推導。

理想氣體假設

1.氣體粒子非常小,體積可以被忽略
2.分子間無作用力
3.每次碰撞皆為完全彈性碰撞(elastic collision)。

理論推導

先想像有一個分子在容器(邊長為L的立方體)裡,他有 u向量 的速度,而 u向量 可以被分為 x、y、z 三個方向。
對於 x 方向,碰撞頻率為
如果你跟我一樣疑惑為什麼速度除以距離,不妨看看單位。
接著看每次動量變化 (設向右為正)
高一物理提到,力是動量的時變率
又因為 / T(週期) =* f(頻率) ,所以
其他兩個方向也都是一樣的情況,透過內積得
如果不太懂上面的式子,多看幾次
有力的量值後,就能求壓力了
這是一個分子對於整體的壓力,一般遇到的,一定是一團氣體分子,所以
其中 n 為多少莫耳,NA 為亞佛加厥數,此動作為了對應 PV=nRT
最後稍微代換一下
這裡定義一莫耳的平均動能
還能藉由簡單的公式得到速度的方均根
到這裡簡單的氣體方程式推導完畢,但還有幾點需要注意。

注意的點

1.求出來的是平均動能與速度的方均根不是分子平均速度,分子速度分布須經由
Maxwell-Boltzmann distribution law 來求得。
其中波茲曼常數*亞佛加厥數=R
圖形呈現 (氧氣在 300K 的情況下)
Umax是眾數,Uavg是平均數,Urms是方均根速度(root mean square velocity)(速度單位是每秒幾公尺),而透過
Maxwell-Boltzmann distribution law 可知
2.單位
只要用到速度(m/s)類似的單位,就需要公制單位,就是 R 用焦耳那個, M 也要用公斤。

以上就是關於理想氣體方程式的理論推導,速率分布那邊好像是偏向統計學(不保證)的結果,wiki 上的資料是一點也看不懂。
以上如果有誤請留言告訴我,謝謝。












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