Termodynamiikka

Kineettisen teorian hiekkalaatikko

Lämmitä kaasua ja katso molekyylien nopeutuvan (v_rms).

Kineettisen teorian hiekkalaatikko – interaktiivinen Termodynamiikka-simulaatio. Lämmitä kaasua ja katso molekyylien nopeutuvan (v_rms). Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.

Kineettinen teoria

Lämmitä kaasua ja katsele molekyylien nopeutuvan (v_rms).

Kineettinen teoria yhdistää lämpötilan keskimääräiseen molekyylin liike-energiaan: ½m⟨v²⟩ = (3/2)kT. Lämmittäminen lisää energiaa, joka ilmenee nopeampana satunnaisliikkeenä. Neliökeskiarvon juurinopeus v_rms on se, joka sisältyy ideaalikaasun paineyhteyteen ja selittää, miksi kuumemmat kaasut kohdistavat suuremman paineen kiinteässä tilavuudessa.

• KE_avg = (3/2)kT
• v_rms ∝ √T

Tutkimustiivistelmä

Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista

Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.

Tutkimuskysymys

Lämpötila on todellisuudessa keskimääräisen molekyyliliikkeen mitta. Jos kaksinkertaistat kaasun absoluuttisen lämpötilan, kaksinkertaistuuko tyypillinen molekyylinopeus myös?

Punniteltavat ennusteet

• Molekyylinopeus kaksinkertaistuu myös, koska lämpötila ja nopeus ovat suoraan verrannollisia.
• Molekyylinopeus kasvaa √2-kertaiseksi, ei 2-kertaiseksi, koska nopeus riippuu lämpötilan neliöjuuresta.
• Molekyylinopeus ei riipu lämpötilasta.

Muuttujien roolit

Mitä asetat:

• Lämpötila T (K)

Mitä mittaat:

• Keskimääräinen molekyylin KE (zJ)
• RMS-nopeus v_rms (m/s)

Miten tutkimus etenee

1. Avaa kineettinen hiekkalaatikko -esiasetus ja paina Nollaa. Kammio sisältää argonikaasua (M = 0.039948 kg/mol).
2. Ota käyttöön rms-nopeuden ja keskimääräisen liike-energian lukemat.
3. Aseta kaasun lämpötila jokaiselle suoritukselle ja kirjaa molekyylien rms-nopeus.

Hallitseva yhtälö

Molekyylien RMS-nopeus — v_rms = √(3·R·T / M)

Kaasumolekyylien neliökeskiarvon juurinopeus riippuu lämpötilasta ja moolimassasta: v_rms = √(3RT/M). Kevyemmillä, kuumemmilla kaasuilla on nopeammin liikkuvat molekyylit.

Molekyylien keskimääräinen liike-energia — KE_avg = 3/2·kB·T

Jokaisella ideaalikaasumolekyyllä on sama keskimääräinen translatorinen liike-energia annetussa lämpötilassa massasta riippumatta: KE_avg = (3/2)k_BT. Lämpötila on perustavasti tämän keskimääräisen liikkeen mitta.

Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään

• Yhdelle suoritukselle laske v_rms = √(3RT/M) arvoilla R = 8.314 J/(mol·K) ja M = 0.039948 kg/mol. Vertaa taulukkoon.
• Selitä, miksi v_rms kasvaa lämpötilan neliöjuurena eikä suoraan verrannollisena siihen.

Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella

• Kahdella samassa lämpötilassa olevalla kaasulla on sama keskimääräinen liike-energia, mutta kevyemmällä kaasulla (pienempi M) on korkeampi v_rms. Selitä miksi käyttäen kaavaa KE_avg = ½M·v_rms² yhdessä sen tosiasian kanssa, että KE_avg riippuu vain T:stä.
• Helium (M ≈ 0.004 kg/mol) vuotaa ilmapallosta paljon nopeammin kuin pallo tyhjenee pelkästä ilmasta. Käytä v_rms-kaavaasi selittääksesi, miksi kevyemmät kaasumolekyylit pakenevat pienistä huokosista nopeammin.

• AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
• IB Physics — B.3 Gas laws
• General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
• NGSS High School Physics — Thermal energy transfer

1. Tervetuloa kineettiseen hiekkalaatikkoon
2. Valitse kammio
3. Paina Toista
4. Nopeammat molekyylit korkeammassa T:ssä
5. Avaa Ominaisuudet-paneeli
6. Onnistuit!

Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.

Avaa interaktiivinen laboratorio →

Lataa työarkki →

Ideaalikaasulaki