Teoria cinètica: temperatura i velocitat molecular
1 · Prediu
La temperatura és realment una mesura del moviment molecular mitjà. Si dobles la temperatura absoluta d'un gas, la velocitat molecular típica també es dobla?
- La velocitat molecular també es dobla, perquè temperatura i velocitat són directament proporcionals.
- La velocitat molecular augmenta en un factor √2, no 2, perquè la velocitat depèn de l'arrel quadrada de la temperatura.
- La velocitat molecular no depèn de la temperatura.
2 · Configura
- Obre el predefinit «Teoria cinètica» i prem Restableix. La cambra conté gas argó (M = 0.039948 kg/mol).
- Activa les lectures de velocitat eficaç i energia cinètica mitjana.
- Defineix la temperatura del gas per a cada prova i enregistra la velocitat molecular eficaç.
3 · Recull dades
| Temperatura T (K) | KE molecular mitjana (zJ) | Velocitat eficaç v_rms (m/s) |
|---|---|---|
| 300.00 | ||
| 600.00 | ||
| 900.00 |
Representa v_rms (eix y) contra √T (eix x) per a les tres proves. La línia és recta i passa per l'origen?
4 · Analitza
- Per a una prova, calcula v_rms = √(3RT/M) amb R = 8.314 J/(mol·K) i M = 0.039948 kg/mol. Compara-ho amb la taula.
- Explica per què v_rms creix amb l'arrel quadrada de la temperatura i no en proporció directa.
5 · Amplia
- Dos gasos a la mateixa temperatura tenen la mateixa energia cinètica mitjana, però el gas més lleuger (M més petit) té un v_rms més alt. Explica per què, amb KE_avg = ½M·v_rms² juntament amb el fet que KE_avg només depèn de T.
- L'heli (M ≈ 0.004 kg/mol) fuig d'un globus molt més de pressa del que el globus es desinfla només per l'aire. Fes servir la teva fórmula de v_rms per explicar per què les molècules de gas més lleugeres escappen més de pressa per porus diminuts.
La física al darrere d'aquest experiment
Velocitat molecular eficaç
La velocitat eficaç de les molècules del gas depèn de la temperatura i de la massa molar: v_rms = √(3RT/M). Els gasos més lleugers i calents tenen molècules que es mouen més de pressa.
Energia cinètica molecular mitjana
Cada molècula de gas ideal, sigui quina sigui la massa, té la mateixa energia cinètica translacional mitjana a una temperatura donada: KE_avg = (3/2)k_BT. La temperatura és fonamentalment una mesura d'aquest moviment mitjà.
Termodinàmica
- La llei del gas ideal: pressió, volum i temperatura
- Compressió isoterm: treball fet en temperatura constant
- Escalfament isobar: expansió a pressió constant
- Escalfament isocor: pujada de pressió en volum constant
- Expansió adiabàtica: refredar-se sense perdre calor
- Calorimetria: barrejar calent i fred
- Conducció tèrmica: flux de calor per una barra
- El cicle de Carnot: rendiment màxim possible d'un motor
- El cicle d'Otto: model idealitzat d'un motor de gasolina
- El cicle de Carnot invertit: una nevera
- El cicle de Stirling: trams isoterms amb regeneració
- Canvi d'entropia en una expansió isoterm reversible
138 fulls de treball de laboratori de física gratuïts i imprimibles