ውጤታማ የጋዝ ፍጥነት

በፕላኔቷ ምድር ከባቢ አየር ውስጥ ነፃ ሄሊየም እና ሃይድሮጂን ጋዝ የለም። ናይትሮጅን (78%)፣ ኦክስጅን (21%)፣ አርጎን (0,90%)፣ ካርቦን ዳይኦክሳይድ፣ ወዘተ ብቻ ነው ያሉት። የቬኑስ ከባቢ አየር ሙሉ በሙሉ ማለት ይቻላል ካርቦን ዳይኦክሳይድ (CO2) ነው _። የጁፒተር ከባቢ አየር ብዙ ነፃ ሄሊየም እና ሃይድሮጂን አለው። ጨረቃ ከባቢ አየር የላትም። የእያንዳንዱ ፕላኔት የከባቢ አየር አይነት ለምን የተለየ ነው? በምድር ከባቢ አየር ውስጥ ነፃ ሄሊየም እና ሃይድሮጂን የሌለበት ለምንድን ነው?

የሩት አማካኝ ካሬ ፍጥነት

የሩት አማካኝ ካሬ ፍጥነት = የሩት አማካኝ ካሬ = v _rms ። የሙቀት እና የኪኔቲክ ኢነርጂ እኩልታዎችን ወደ ትርጉም በመቀየር የv _rms እኩልታ ማግኘት እንችላለን ።

መረጃ፡

v _rms = ሩት አማካይ ካሬ ፍጥነት ወይም ፍጥነት (m/s)

k = የቦልትዝማን ቋሚ n (k = 1,38 x 10 ^-23 J/K)

ቲ = ፍፁም የሙቀት መጠን (K = ኬልቪን)

ሜትር = ክብደት (ኪ.ግ)

መረጃ፡

v rms = ሩት አማካይ ካሬ ፍጥነት ወይም ፍጥነት (m/s)

R = ሁለንተናዊ የጋዝ ቋሚ (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)

NA = በአንድ ሞለኪውል የሞለኪውሎች ብዛት = የአቮጋድሮ ቁጥር (NA = 6,02 x 10 ²³ /mol = 6,02 x 10 ²⁶ / ኪ.ሜ)

ቲ = የሙቀት መጠን (ኬ)

M = ሞለኪውላዊ ክብደት = ሞላር ክብደት (ኪ.ግ./ኪ.ሞል ወይም ግራም/ሞል)

ከላይ የተገኘው የ vrms አማካይ ፍጥነት በአንድ ጋዝ ውስጥ የሞለኪውሎች ፍጥነት ነው። አንዳንድ ሞለኪውሎች ከ vrms የሚበልጥ ፍጥነት ሲኖራቸው፣ ሌሎች ደግሞ ከ vrms ያነሱ ፍጥነቶች አሏቸው። በ1859፣ ጄምስ ክሌርክ ማክስዌል (1831–1879) በቲዎሪ በጋዝ ውስጥ የሞለኪውላር ፍጥነቶች ስርጭትን በንድፈ ሀሳብ አገኘ። የማክስዌል ሞለኪውላር ፍጥነቶች ስርጭት የተገኘው ከኪነቲክ ንድፈ ሐሳብ ነው፣ ስለዚህም ለተስማሚ የጋዝ ሞለኪውሎች የበለጠ ትክክለኛ ነው። የማክስዌል ሞለኪውላር ፍጥነቶች ስርጭት ከታች ባለው ግራፍ ላይ እንደሚታየው ይታያል።

በ1920 በርካታ ሳይንቲስቶች የእውነተኛ ጋዝ ሞለኪውሎችን የፍጥነት ስርጭት ለመመርመር ሙከራዎችን አካሂደዋል። በሙከራዎቹ የተገኙት የእውነተኛ ጋዝ ሞለኪውሎች የፍጥነት ስርጭት ከማክስዌል ግኝቶች ጋር ተመሳሳይ መሆኑን ተገነዘበ።

የጋዝ ጥግግት በበቂ ሁኔታ ከፍተኛ ሲሆን፣ በሙከራ የተገኘው የእውነተኛ ጋዝ ሞለኪውሎች የፍጥነት ስርጭት ከማክስዌል የተገኘውን የቲዎሬቲካል ፍጥነት ስርጭት ጋር አይዛመድም። ስለዚህ፣ የማክስዌል ስርጭት፣ የኒውተንያን ሜካኒክስን በመጠቀም የጋዞች ኪኔቲክ ቲዎሪ ላይ የተመሠረተ፣ የተገደበ ነው። በከፍተኛ ጥግግት የጋዝ ሞለኪውሎች የፍጥነት ስርጭት በኳንተም መርሆዎች ሊገለጽ ይችላል።

በሙከራው የተገኙት የእውነተኛ ጋዝ ሞለኪውሎች ፍጥነት ስርጭት ከዚህ በታች ያለውን ምስል ይመስላል።

ይህ አሃዝ የእውነተኛ ጋዝ ሞለኪውሎች ፍጥነት ለሁለት የተለያዩ የሙቀት መጠኖች ስርጭትን ያሳያል። በዚህ ሙከራ የተገኙ የሞለኪውሎች ፍጥነት ስርጭት ግራፍ ከላይ ካለው የvrms እኩልታ ጋር ይጣጣማል (vrms በቀጥታ ከሙቀት ጋር ተመጣጣኝ ነው)። ምክንያቱም vrms የሙቀት መጠኑ ሲጨምር በቀጥታ ከሙቀት ጋር ተመጣጣኝ ስለሆነ (T)₂)፣ የሞለኪውላር ፍጥነት ስርጭት ኩርባ ወደ ቀኝ ወደፊት ይቀየራል (v rms እየጨመረ ነው)። EA (የማግበር ኃይል) ለኬሚካላዊ ምላሽ የሚያስፈልገው ዝቅተኛው የኪነቲክ ኃይል ነው።

ከላይ ካለው ግራፍ፣ የሙቀት መጠኑ ከፍ ባለ ቁጥር፣ ሞለኪውሎች ከማነቃቂያ ኃይል (EA) የበለጠ የኪነቲክ ኃይል እንዳላቸው ይታያል። ለዚህም ነው የሙቀት መጠኑ ከፍ ባለ መጠን፣ የኬሚካል ምላሽ ፍጥነት። የሙቀት መጠኑ ከፍ ባለ መጠን፣ የሞለኪውሎቹ የኪነቲክ ኃይል ይጨምራል። ሞለኪውሎቹ ከፍተኛ የኪነቲክ ኃይል ስላላቸው፣ ሲጋጩ፣ አብረው ሊጣበቁ ይችላሉ።

ምሳሌ ጥያቄ 1፡

_{የናይትሮጅን ሞለኪውል ( N2} ) በአየር ውስጥ በ20 oC የሙቀት መጠን ⁽ የናይትሮጅን ሞለኪውል ክብደት = 28 ግራም/ሞል = 28 ኪ.ግ/ኪ.ሜ) ውስጥ ያለውን የናይትሮጅን ሞለኪውል (N2) አርምሶችን v ይወስኑ።

ውይይት

k = 1,38 x 10 ^‐23 J/K = 1,38 x 10 ^‐23 (ኪ.ግ. ሜ ² / ሰ ² )/ኪ

ቲ = 20 ^o ሴ + 273 = 293 ኪ

_{የሞላር ክብደት ወይም የN 2} (M) ሞለኪውላር ክብደት = 2 x 14 ግራም/ሞል = 2 x 14 ግራም/ሞል = 28 ግራም/ሞል = 28 ኪ.ግ/ኪ.ሞል (የአቶሚክ ክብደት N = 14 u. የንጥረ ነገሮች ወቅታዊ ሰንጠረዥ ይመልከቱ)

የሞለኪውሎች/ሞል ብዛት = የአቮጋድሮ ቁጥር (ኤንኤ) = 6,02 x 10 ²³ /ሞል = 6,02 x 10 ²⁶ / ኪ.ሜ

የናይትሮጅን ክብደት (ሜ) = ?

የናይትሮጅን rms መጠን (v rms) = ?

 

ምሳሌ ጥያቄ 2፡

^{የሂሊየም (He) በአየር ውስጥ በ20 ዲግሪ} ሴልሺየስ የሙቀት መጠን ውስጥ የሂሊየም (He) የrms v መጠን ይወስኑ … (የሂሊየም ሞለኪውላዊ ክብደት = 4 ግራም/ሞል = 4 ኪ.ግ/ኪ.ሜ)

ውይይት

k = 1,38 x 10 ^-23 J/K

ቲ = 20 ^o ሴ + 273 = 293 ኪ

የሞላር ክብደት/የሄ (M) ሞለኪውላር ክብደት = 4 u = 4 ግራም/ሞል = 4 ኪ.ግ/ኪ.ሞል (የሄ የአቶሚክ ክብደት = 4 u. የንጥረ ነገሮች ወቅታዊ ሰንጠረዥ ይመልከቱ)

የሞለኪውሎች/ሞል ብዛት = የአቮጋድሮ ቁጥር (ኤንኤ) = 6,02 x 10 ²³ /ሞል = 6,02 x 10 ²⁶ / ኪ.ሜ

ቅዳሴ እሱ (ሜ) = ?

የRMS መጠን He (v rms) = ?

ምሳሌ ጥያቄ 3፡

^{በ20 ዲግሪ ሴልሺየስ የሙቀት መጠን የሃይድሮጂን (} _H2 ) rms v በአየር ውስጥ ይወስኑ … (የሃይድሮጂን ሞለኪውላዊ ክብደት = 2 ግራም/ሞል = 4 ኪ.ግ/ኪሎግራም)

ውይይት

k = 1,38 x 10 ^-23 J/K

ቲ = 20 ^o ሴ + 273 = 293 ኪ

የሞላር ክብደት/ኤም የሃይድሮጂን ሞለኪውላዊ ክብደት (M) = 2 x 1 u = 2 u = 2 ግራም/ሞል = 2 ኪ.ግ/ኪ.ሞል (የ H የአቶሚክ ክብደት = 1 u. የንጥረ ነገሮች ወቅታዊ ሰንጠረዥ ይመልከቱ)

የሞለኪውሎች/ሞል ብዛት = የአቮጋድሮ ቁጥር (ኤንኤ) = 6,02 x 102 ³ /ሞል = 6,02 x 10 ²⁶ / ኪ.ሜ

_{የ H2} (ሜ) ክብደት = ?

_{የ H2} (v rms) የRMS መጠን = ?

ምሳሌ ጥያቄ 4፡

_{በአየር ውስጥ የኦክስጅን ሞለኪውሎች ( O2} ) በ20 oC የሙቀት መጠን ^{የአርኤም} ፍጥነትን ይወስኑ። (የ _O2 ሞለኪውላዊ ክብደት = 32 ግራም/ሞል = 44 ኪ.ግ/ኪሎግራም)

ውይይት

k = 1,38 x 10 ^-23 J/K

ቲ = 20 ^o ሴ + 273 = 293 ኪ

የሞላር ክብደት/የኦክስጅን ሞለኪውላር ክብደት (M) = 2 x 16 u = 32 u = 32 ግራም/ሞል = 32 ኪ.ግ/ኪ.ሞል (የአቶሚክ ክብደት O = 16 u. የንጥረ ነገሮች ወቅታዊ ሰንጠረዥ ይመልከቱ)

የሞለኪውሎች/ሞል ብዛት = የአቮጋድሮ ቁጥር (ኤንኤ) = 6,02 x 10 ²³ /ሞል = 6,02 x 10 ²⁶ / ኪ.ሜ

_{የ O2} ክብደት (ሜ) = ?

_{የ H2} (v rms) የRMS መጠን = ?

ምሳሌ ጥያቄ 5፡

_{በአየር ውስጥ የካርቦን ዳይኦክሳይድ ( CO2} ) ሞለኪውሎች በ20 ^oC የሙቀት መጠን ውስጥ የrms መጠን ይወስኑ። (የ _CO2 ሞለኪውላዊ ክብደት = 44 ግራም/ሞል = 44 ኪ.ግ/ኪ.ሜ)

ውይይት

k = 1,38 x 10 ^‐23 J/K = 1,38 x 10 ^‐23 (ኪ.ግ. ሜ ² / ሰ ² )/ኪ

ቲ = 30 ^o ሴ + 273 = 293 ኪ

_{የሞላር ክብደት/የ CO2} (M) ሞለኪውላር ክብደት = 12 u + (2 x 16 u) = 12 u + 32 u = 44 u = 44 ግራም/ሞል = 44 ኪ.ግ/ኪ.ሞል (የአቶሚክ ክብደት C = 12 u፣ የአቶሚክ ክብደት O = 16 u. የንጥረ ነገሮች ወቅታዊ ሰንጠረዥ ይመልከቱ)

የሞለኪውሎች/ሞል ብዛት = የአቮጋድሮ ቁጥር (NA ₎ = 6,02 x 10 ²³ /ሞል = 6,02 x 10 ²⁶ / ኪ.ሜ

_{የካርቦን ዳይኦክሳይድ 2} ክብደት (ሜ) = ?

_{የ CO2} rms ፍጥነት (v rms) = ?

የአንዳንድ የጋዝ ዓይነቶች v rms

አሁን የበርካታ የጋዞችን አይነቶች አርምስ ቪ እናወዳድር፡

v rms ሃይድሮጂን (H2 ₎ = 1917 ሜ/ሰ = 1,92 ኪ.ሜ/ሰ (በ20 ^oC )

^{v rms ሂሊየም (He) = 1355,7 m/s = 1,36 ኪ.ሜ/ሰ (በ20 oC} የሙቀት መጠን )

v rms ናይትሮጅን (N2 _{) = 510,75 ሜ/ሰ = 0,51 ኪ.ሜ/ሰ (በ20} ^oC የሙቀት መጠን )

v rms ኦክስጅን (O2 _{) = 478,4 ሜ/ሰ = 0,48 ኪ.ሜ/ሰ (በ20} ^oC የሙቀት መጠን )

v rms ካርቦን ዳይኦክሳይድ (CO2 _{) = 407,6 ሜ/ሰ = 0,41 ኪ.ሜ/ሰ (በ20} ^oC የሙቀት መጠን )

ከፍተኛው የrms ፍጥነት ያለው ጋዝ ሃይድሮጂን ሲሆን ዝቅተኛው ደግሞ ካርቦን ዳይኦክሳይድ ነው። አሁን ይህንን ከምድር ገጽ የማምለጫ ፍጥነት ጋር ያወዳድሩ (የማምለጫ ፍጥነት = 11,2 ኪ.ሜ/ሰ)። የማምለጫ ፍጥነት አንድ ነገር ከምድር የስበት መስክ ለማምለጥ የሚያስፈልገው ዝቅተኛው ፍጥነት ነው።

የጋዝ ሞለኪውሎች vrms የማምለጫ ፍጥነት 1/6 እጥፍ ብቻ ከሆነ (1/6 x 11,2 ኪ.ሜ/ሰ = 1,86 ኪ.ሜ/ሰ)፣ ፍጥነታቸው ከማምለጫ ፍጥነት የሚበልጥ ብዙ የጋዝ ሞለኪውሎች አሉ (ከላይ የተገለጹትን የሞለኪውላር ፍጥነቶች ስርጭት ያስታውሱ)። በ20 oC የሙቀት መጠን ^{፣ vrms ሃይድሮጂን ጋዝ = 1,92 ኪ.ሜ/ሰ (> 1,86 ኪ.ሜ/ሰ)። ይህ በእንዲህ እንዳለ፣ በ20 oC} የሙቀት መጠን የሂሊየም ጋዝ vrms = 1,36 ኪ.ሜ/ሰ (ወደ 1,86 ኪ.ሜ/ሰ)። ይህ በ20 ^oC የሙቀት መጠን ነው ።

የሙቀት መጠኑ ከፍ ባለ ቁጥር የrms ዋጋ ከፍ ይላል። የrms ዋጋ ከፍ ባለ ቁጥር የምድርን የስበት መስክ የማምለጥ እድሉ ከፍ ያለ ነው። ይህ ደግሞ ነፃ ሂሊየም እና ሃይድሮጂን ከምድር ከባቢ አየር የማይገኙበት ምክንያት ነው።

የአንድ ፕላኔት የማምለጫ ፍጥነት መጠን እና የጋዝ ሞለኪውሎች የrms ፍጥነት አንድ ፕላኔት ወይም ሳተላይት ያለውን የከባቢ አየር አይነት ይወስናሉ። የቬኑስ የማምለጫ ፍጥነት 10,3 ኪ.ሜ/ሰ ነው። የካርቦን ዳይኦክሳይድ (CO2) የrms ፍጥነት በጣም ትንሽ _ስለሆነ ከቬኑስ ከባቢ አየር ለማምለጥ አስቸጋሪ ነው። ይህ በእንዲህ እንዳለ የጁፒተር የማምለጫ ፍጥነት 60 ኪ.ሜ/ሰ ሲሆን ይህም በጁፒተር ትልቅ ዲያሜትር ምክንያት በጣም ትልቅ ነው። ስለዚህ ሃይድሮጂን እና ሂሊየም ከጁፒተር የስበት መስክ ማምለጥ አይችሉም።