Termodynamika
Piaskownica teorii kinetycznej
Ogrzej gaz i patrz, jak cząsteczki przyspieszają (v_rms).
Piaskownica teorii kinetycznej — interaktywna symulacja: Termodynamika. Ogrzej gaz i patrz, jak cząsteczki przyspieszają (v_rms). Bezpłatne wirtualne laboratorium fizyki w przeglądarce z pomiarami na żywo w SI i samouczkiem prowadzonym.
Teoria kinetyczna
Ogrzej gaz i patrz, jak cząsteczki przyspieszają (v_rms).
Teoria kinetyczna wiąże temperaturę ze średnią kinetyczną energią cząsteczek: ½m⟨v²⟩ = (3/2)kT. Ogrzewanie dodaje energię, która objawia się szybszym chaotycznym ruchem. Średnia kwadratowa prędkość v_rms to to, co wchodzi w zależność ciśnienia gazu doskonałego i wyjaśnia, dlaczego cieplejsze gazy wywierają większe ciśnienie przy stałej objętości.
- KE_avg = (3/2)kT
- v_rms ∝ √T
Krótki opis badania
Zaplanuj pytanie, zanim otworzysz pracownię
Krótki opis odzwierciedla stronę statyczną: pytanie badawcze, konkurujące przewidywania, role zmiennych, prawo rządzące i co mierzyć.
Pytanie badawcze
Temperatura to naprawdę miara średniego ruchu cząsteczkowego. Jeśli podwoisz temperaturę bezwzglętną gazu, czy typowa prędkość cząsteczek też się podwoi?
Prognozy do rozważenia
- Prędkość cząsteczek też się podwaja, bo temperatura i prędkość są wprost proporcjonalne.
- Prędkość cząsteczek rośnie o czynnik √2, nie 2, bo prędkość zależy z pierwiastka temperatury.
- Prędkość cząsteczek nie zależy od temperatury.
Role zmiennych
Co ustawiasz:
- Temperatura T (K)
Co mierzysz:
- Średnia EK cząsteczki (zJ)
- Prędkość skuteczna v_rms (m/s)
Jak przebiega badanie
- Otwórz preset kinetic-sandbox i naciśnij Reset. Komora zawiera gaz argon (M = 0.039948 kg/mol).
- Włącz odczyty prędkości skutecznej i średniej energii kinetycznej.
- Ustaw temperaturę gazu dla każdej próby i zapisz skuteczną prędkość cząsteczek.
Równanie rządzące
Skuteczna prędkość cząsteczek — v_rms = √(3·R·T / M)
Średnia kwadratowa prędkość cząsteczek gazu zależy od temperatury i masy molowej: v_rms = √(3RT/M). Lżejsze i cieplejsze gazy mają szybciej poruszające się cząsteczki.
Średnia kinetyczna energia cząsteczki — KE_avg = 3/2·kB·T
Każda cząsteczka gazu doskonałego, niezależnie od masy, ma tę samą średnią kinetyczną energię translacji w danej temperaturze: KE_avg = (3/2)k_BT. Temperatura jest fundamentalnie miarą tego średniego ruchu.
Co karta do druku każe uczniom wyliczyć
- Dla jednej próby oblicz v_rms = √(3RT/M), używając R = 8.314 J/(mol·K) i M = 0.039948 kg/mol. Porównaj z tabelą.
- Wyjaśnij, dlaczego v_rms rośnie z pierwiastkiem temperatury, a nie wprost proporcjonalnie.
Gdzie to wychodzi poza pracownię
- Dwa gazy w tej samej temperaturze mają tę samą średnią energię kinetyczną, ale lżejszy gaz (mniejsze M) ma wyższą v_rms. Wyjaśnij dlaczego, używając KE_avg = ½M·v_rms² wraz z faktem, że KE_avg zależy tylko od T.
- Hel (M ≈ 0.004 kg/mol) ucieka z balonu dużo szybciej, niż balon opada sam z powietrza. Wzorem na v_rms wyjaśnij, dlaczego lżejsze cząsteczki gazu uciekają przez maleńkie pory szybciej.
- 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
- Witamy w piaskownicy kinetycznej
- Zaznacz komorę
- Naciśnij Play
- Szybsze cząsteczki przy wyższym T
- Otwórz panel Właściwości
- Udało się!
Otwórz interaktywną symulację, zbuduj scenę, naciśnij Play i badaj z pomiarami na żywo oraz przewodnikiem.
Otwórz interaktywną pracownię →