Термодинамика
Песочница молекулярно-кинетической теории
Нагрейте газ и следите, как молекулы ускоряются (v_rms).
Песочница молекулярно-кинетической теории — интерактивная симуляция (Термодинамика). Нагрейте газ и следите, как молекулы ускоряются (v_rms). Бесплатная виртуальная физическая лаборатория в браузере с живыми измерениями в СИ и сопровождаемым туром.
Молекулярно-кинетическая теория
Нагрейте газ и следите, как молекулы ускоряются (v_rms).
Кинетическая теория связывает температуру со средней кинетической энергией молекул: ½m⟨v²⟩ = (3/2)kT. Нагрев добавляет энергию, которая проявляется более быстрым случайным движением. Среднеквадратичная скорость v_rms входит в соотношение давления идеального газа и объясняет, почему более горячие газы давят сильнее при фиксированном объёме.
- KE_avg = (3/2)kT
- v_rms ∝ √T
Краткое описание исследования
Спланируйте вопрос до открытия лаборатории
Краткое описание повторяет предрендеренную страницу: движущий вопрос, конкурирующие прогнозы, роли переменных, определяющие законы, ход работы, анализ и задания для развития остаются видимыми и в этом порядке.
Движущий вопрос
Температура — мера среднего движения молекул. Если удвоить абсолютную температуру газа, удвоится ли и типичная скорость молекул?
Прогнозы для взвешивания
- Скорость молекул тоже удваивается: температура и скорость прямо пропорциональны.
- Скорость молекул растёт в √2 раз, а не в 2: скорость зависит от квадратного корня температуры.
- Скорость молекул не зависит от температуры.
Роли переменных
Что вы задали:
- Температура T (K)
Что вы измеряете:
- Средняя КЭ молекул (zJ)
- Среднеквадратичная скорость v_rms (m/s)
Как идёт исследование
- Откройте пресет kinetic-sandbox и нажмите «Сброс». В камере находится аргон (M = 0.039948 кг/моль).
- Включите показания среднеквадратичной скорости и средней кинетической энергии.
- Задайте температуру газа для каждой пробы и запишите среднеквадратичную скорость молекул.
Определяющее уравнение
Среднеквадратичная скорость молекул — v_rms = √(3·R·T / M)
Среднеквадратичная скорость молекул газа зависит от температуры и молярной массы: v_rms = √(3RT/M). У более лёгких и более горячих газов молекулы движутся быстрее.
Средняя кинетическая энергия молекул — KE_avg = 3/2·kB·T
Каждая молекула идеального газа, независимо от массы, имеет одну и ту же среднюю поступательную кинетическую энергию при данной температуре: KE_avg = (3/2)k_BT. Температура — фундаментально мера этого среднего движения.
Что печатный рабочий лист предлагает учащимся вывести
- Для одной пробы вычислите v_rms = √(3RT/M), используя R = 8.314 Дж/(моль·К) и M = 0.039948 кг/моль. Сравните с таблицей.
- Объясните, почему v_rms растёт как квадратный корень температуры, а не прямо пропорционально ей.
Где это проявляется за пределами лаборатории
- Два газа при одинаковой температуре имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию, но у более лёгкого газа (меньше M) выше v_rms. Объясните, используя KE_avg = ½M·v_rms² вместе с тем фактом, что KE_avg зависит только от T.
- Гелий (M ≈ 0.004 kg/mol) выходит из воздушного шара гораздо быстрее, чем шар сдувается от одного воздуха. По формуле v_rms объясните, почему более лёгкие молекулы газа просачиваются сквозь тонкие поры быстрее.
- 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
- Добро пожаловать в песочницу МКТ
- Выберите камеру
- Нажмите Play
- Более быстрые молекулы при большем T
- Откройте панель свойств
- Готово!
Откройте интерактивную симуляцию, чтобы собрать сцену, нажать Play и исследовать с живыми измерениями и сопровождаемым туром.
Открыть интерактивную лабораторию →