§ 2.3. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії газів

Знайдемо рівняння, що пов’язує параметри стану ідеального газу тиск і об’єм з характеристикою руху його молекул – кінетичною енергією їх поступального руху.

Тиск розрахуємо за означенням як силу, що діє на одиницю площі стінки посудини перпендикулярно до неї за рахунок ударів молекул об стінку при їх хаотичному русі, а силу тиску – на основі 2-го закону Ньютона (через зміну імпульсу).

Нехай газ ідеальний однорідний, удари об стінку абсолютно пружні, число зіткнень молекул між собою зникаюче мале порівняно з числом зіткнень зі стінкою.

В

Рис.2.1

иділимо на стінці малу площадку (див. рис.2.1). При кожному нормальному пружному ударі молекула масою , що рухається зі швидкістю , змінює імпульс на

Для спрощення розрахунку приймемо, що модулі швидкостей молекул однакові, і замінимо мислено їх хаотичний рух рухом у трьох взаємно перпендикулярних напрямках, так що з усіх N молекул в об’ємі V посудини N частинок рухається в напрямку осі х, перпендикулярної до площадки. З цих 1/6 N молекул за деякий невеликий проміжок часу до площадки доберуться лише частинок, де – число молекул, що знаходяться в циліндрі об’ємом з основою та висотою Їх є бо концентрація молекул n за рахунок хаосу однакова у всіх місцях посудини. Отже Ці молекул при зіткненні з площадкою призведуть до зміни її імпульсу, причому

(модулі зміни імпульсу стінки і зміни імпульсу молекул рівні на основі закону збереження імпульсу).

Середня за час сила тиску .

Тиск

де – кінетична енергія поступального руху однієї молекули газу.

Якщо врахувати, що модулі швидкостей молекул різні, то кінцевий результат матиме вигляд

(2.10)

(символ позначає середнє значення відповідної величини). Ця ж формула одержиться, якщо не замінювати хаотичний рух у всіх напрямках рухом у трьох взаємно перпендикулярних напрямках. Співвідношення (2.10) – основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії (м.к.т.) газів.

§ 2.4. Середня квадратична швидкість молекул. Молекулярно-кінетичне тлумачення температури

В основне рівняння м.к.т. газів входить середня кінетична енергія поступального руху однієї молекули газу

, (2.11)

де середній квадрат швидкості молекули

.

Введемо за означенням середню квадратичну швидкість молекули

. (2.12)

З урахуванням останнього вираз (2.11) запишемо так:

. (2.13)

Порівняємо тепер співвідношення (2.10) і (2.7). Маємо

або . (2.14)

Звідси видно, що прямопропорційна абсолютній температурі газу і залежить лише від неї. Значить температура є мірою середньої кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу; саме формула (2.14) дала можливість такого молекулярно-кінетичного трактування абсолютної температури. Оскільки температура – міра середньої величини енергії, то про температуру однієї чи кількох молекул не говорять. При , тобто при абсолютному нулю температури припиняється поступальний рух молекул, а, отже, зникає тиск газу, що спричиняється ударами молекул об стінки посудини. Однак досягти абсолютного нуля неможливо.

Оскільки величина не залежить від маси молекули, то стає зрозумілим, чому в суміші газів окремі компоненти створюють незалежно парціальні тиски (див. закон Дальтона).

Знайдемо тепер формулу для розрахунку величини середньої квадратичної швидкості хаотичного теплового руху молекул газу. Для цього прирівняємо праві частини співвідношень (2.13) і (2.14):

, звідки

. (2.15)

Оскільки , а , то поділивши останнє рівняння на попереднє, маємо . Тоді

. (2.16)

Якщо вираз (2.15) дозволяє розрахувати через масу молекули газу , то (2.16) – через молярну масу . Розрахунок на основі (2.16), наприклад, для азоту за нормальних умов дає , для водню – 2000м/с.

Виведемо ще одну форму запису основного рівняння м.к.т. газів. Домноживши рівняння (2.10) на об’єм V, маємо

.

Але nV=N (див. означення (2.6)), а згідно з виразом (2.11) з урахуванням означення

, тому

.

У свою чергу – це кінетична енергія поступального руху і-ї молекули газу, а – кінетична енергія поступального руху всіх молекул газу , тому остаточно

. (2.17)