የጋዞች ኪኔቲክ ቲዎሪ እና የቴርሞዳይናሚክስ የመጀመሪያ ህግ - ችግሮች እና መፍትሄዎች

የጋዞች ኪኔቲክ ቲዎሪ እና የቴርሞዳይናሚክስ የመጀመሪያ ህግ - ችግሮች እና መፍትሄዎች

1. ተስማሚ ጋዞች 4 ሊትር መጠን ባለው ኮንቴይነር ውስጥ የሚገኙ ሲሆን ግፊቱ 3 atm (1 atm = 10 ⁵ Nm ^-2 ) ነው። ተስማሚ ጋዞች ከ27 ^o C እስከ 87 ^o C ባለው የማያቋርጥ ግፊት ይሞቃሉ። የጋዝ ሙቀት አቅም 9 JK ^-1 ነው ። የጋዞች የመጨረሻ መጠን እና የጋዞች ውስጣዊ ኃይል ለውጥ ስንት ነው?

መፍትሔ

የኢሶባሪክ ሂደት (ቋሚ ግፊት)

የሚታወቅ፦

የጋዝ የመጀመሪያ መጠን (V1 ₎ = 4 ሊትር

የጋዝ የመጀመሪያ የሙቀት መጠን ( _T1 ) = 27 ^o C + 273 = 300 K

የጋዝ የመጨረሻው የሙቀት መጠን (T2 ₎ = 87 ^oC + 273 = 360 K

የጋዝ ግፊት (P) = 3 atm = 3 x 10 · ⁵ Nm ^-2

የጋዝ ሙቀት አቅም (C) = 9 JK ^-1

የሚፈለግ ፡ የመጨረሻው የጋዝ መጠን (V2 ₎ እና የጋዝ ውስጣዊ ኃይል ለውጥ (ΔU)

መፍትሔው

የመጨረሻውን መጠን የቻርለስን ሕግ እኩልታ (የኢሶባሪክ ሂደት ወይም የማያቋርጥ ግፊት) በመጠቀም ይወስኑ

የመጠን ለውጥ፡

1 ሊትር = 0.001 ሜ ³

የመጀመሪያ መጠን (V1 ₎ = 4 (0.001 ሜ ³ ) = 0.004 ሜ ³

የመጨረሻው መጠን (V2 ₎ = 4.8 (0.001 ሜ ³ ) = 0.0048 ሜ ³

የመጠን ለውጥ (ΔV) = V2 _– V1 ₌ 0.0048 m3 ^– 0.004 m3 ⁼ 0.008 ^m3 ።

የሙቀት መጠን ለውጥ;

የሙቀት ለውጥ (ΔT) = T ₂ – T ₁ = 360 K – 300 K = 60 K

የመጀመሪያውን የቴርሞዳይናሚክስ ህግ እኩልታ በመጠቀም ተስማሚውን ጋዝ ውስጣዊ ኃይል (ΔU) ለውጥ ይወስኑ።

ΔU = Q – W

ΔU = የውስጣዊ ኃይል ለውጥ፣ Q = ሙቀት፣ W = ስራ

በቋሚ ግፊት (W) ላይ የስራ መጠንን ይወስኑ:

ወ = P ΔV = (3 x 10 ⁵ )(0.0008) = (3 x 10 ¹ )(8) = (30)(8) = 240 ጁልስ

የሙቀት አቅም (C) እኩልታ በመጠቀም ሙቀትን (Q) ይወስኑ፡

ሲ = Q / ΔT

ጥ = (ሲ) (ΔT) = (9) (60) = 540 ጁልስ

የውስጥ ኃይል ለውጥን ይወስኑ;

ΔU = Q – W = 540 Joules – 240 Joules = 300 Joules።

2. በ2 atm ላይ 6 ሊትር ተስማሚ ጋዞች በአንድ ኮንቴይነር ውስጥ ይገኛሉ (1 atm = 10 ⁵ Nm ^-2 )። ጋዙ ከ27 ^o C እስከ 77 ^o C በቋሚ ግፊት ይሞቃል። የጋዝ የሙቀት አቅም 5 JK ^-1 ከሆነ ፣ የጋዝ የመጨረሻው መጠን እና የውስጥ ኃይል ለውጥ ስንት ነው።

መፍትሔው

የኢሶባሪክ ሂደት (ቋሚ ግፊት)

የሚታወቅ፦

ተስማሚ ጋዞች የመጀመሪያ መጠን (V1 ₎ = 6 ሊትር

ተስማሚ ጋዞች የመጀመሪያ የሙቀት መጠን (T1 ₎ = 27 ^o C + 273 = 300 K

ተስማሚ ጋዞች የመጨረሻ የሙቀት መጠን (T2 ₎ = 77 ^o C + 273 = 350 K

ተስማሚ ጋዞች (P) ግፊት = 2 atm = 2 x 10 · ⁵ Nm ^-2

የጋዞች የሙቀት አቅም (C) = 5 JK ^-1

የሚፈለግ ፡ የጋዝ የመጨረሻው መጠን (V2 ₎ እና የጋዝ ውስጣዊ ኃይል ለውጥ (ΔU)

መፍትሔው

የቻርለስን ህግ እኩልታ (የኢሶባሪክ ሂደት ወይም የማያቋርጥ ግፊት) በመጠቀም የመጨረሻውን የጋዝ መጠን ይወስኑ፡

የመጠን ለውጥ፡

1 ሊትር = 0.001 ሜ ³

የመጀመሪያው መጠን (V1 ₎ = 6 (0.001 ሜ ³ ) = 0.006 ሜ ³

የመጨረሻው መጠን (V2 ₎ = 7 (0.001 ሜ ³ ) = 0.007 ሜ ³

የመጠን ለውጥ (ΔV) = V ₂ – V ₁ = 0.007 m ³ – 0.006 m ³ = 0.001 m ³

የሙቀት መጠን ለውጥ;

የሙቀት ለውጥ (ΔT) = T ₂ – T ₁ = 350 K – 300 K = 50 K

የመጀመሪያውን የቴርሞዳይናሚክስ ህግ እኩልታ በመጠቀም ተስማሚ ጋዞች ውስጣዊ ኃይል (ΔU) ለውጥን ይወስኑ።

ΔU = Q – W

ΔU = የውስጥ ኃይል ለውጥ፣ Q = ሙቀት፣ W = ስራ

በቋሚ ግፊት (W) ላይ የስራ መጠንን ይወስኑ:

ወ = P ΔV = (2 x 10 ⁵ )(0.001) = (2 x 10 ² )(1) = (200)(1) = 200 ጁልስ

የሙቀት አቅም (C) እኩልታ በመጠቀም ሙቀትን (Q) ይወስኑ፡

ሲ = Q / ΔT

ጥ = (ሲ) (ΔT) = (5) (50) = 250 ጁልስ

የውስጥ ኃይል ለውጥን ይወስኑ;

ΔU = Q – W = 250 Joules – 200 Joules = 50 Joules።

1. የጋዞች የኪነቲክ ቲዎሪ ዋና ዋና ግምቶች ምንድናቸው?
   • መልስ: የጋዞች ኪነቲክ ቲዎሪ የሚከተሉትን ይገምታል፡ (ሀ) ጋዞች በቋሚ የዘፈቀደ እንቅስቃሴ ውስጥ የሚገኙ በርካታ ትናንሽ ቅንጣቶችን ያቀፉ ናቸው፤ (ለ) እነዚህ ቅንጣቶች ከመጠን አንፃር በጣም የራቁ ናቸው፤ (ሐ) በጋዝ ቅንጣቶች ወይም በቅንጣት እና በመያዣው ግድግዳዎች መካከል የሚፈጠሩ ግጭቶች የመለጠጥ (ማለትም፣ ምንም የኪነቲክ ኃይል አይጠፋም)፤ (መ) በጋዝ ቅንጣቶች መካከል ምንም አይነት የኢንተርሞለኪውላር ኃይሎች የሉም፤ እና (ሠ) የጋዝ ቅንጣቶች አማካይ የኪነቲክ ኃይል በቀጥታ ከጋዙ ፍጹም የሙቀት መጠን ጋር ተመጣጣኝ ነው።
2. የጋዝ ሞለኪውሎች አማካይ የኪነቲክ ኃይል ከጋዙ የሙቀት መጠን ጋር እንዴት ይዛመዳል?
   • መልስ: የጋዝ ሞለኪውሎች አማካይ የኪነቲክ ኃይል በቀጥታ ከጋዙ ፍፁም የሙቀት መጠን (በኬልቪን) ጋር ተመጣጣኝ ነው። የሙቀት መጠኑ እየጨመረ ሲሄድ የሞለኪውሎቹ አማካይ የኪነቲክ ኃይልም ይጨምራል።
3. በሞለኪውላር እንቅስቃሴ ረገድ ፍፁም ዜሮ ምን ያህል ጠቀሜታ አለው?
   • መልስ: ፍፁም ዜሮ (0 ኬልቪን) በንድፈ ሀሳብ ሁሉም የሞለኪውላር እንቅስቃሴ የሚቆምበት የሙቀት መጠን ነው። ምንም ነገር ቀዝቃዛ ሊሆን የማይችልበት እና ምንም የሙቀት ኃይል በአንድ ንጥረ ነገር ውስጥ የማይቀርበትን ዝቅተኛውን የሙቀት መጠን ይወክላል።
4. በውስጣዊ ኃይል፣ ሙቀት እና ሥራ ረገድ የቴርሞዳይናሚክስ የመጀመሪያው ሕግ ምንድን ነው?
   • መልስ: የመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ እንደሚገልጸው የአንድ ስርዓት ውስጣዊ ኃይል ለውጥ ስርዓቱ በአካባቢው ላይ ከሚያከናውነው ስራ ሲቀነስ በስርዓቱ ላይ ከተጨመረው ሙቀት ጋር እኩል ነው። ΔU = Q – W።
5. በኢሶቾሪክ ሂደት ውስጥ፣ በስርዓቱ ወይም በስርዓቱ ላይ በሚሰራው ስራ ላይ ምን ይሆናል?
   • መልስ: በኢሶቾሪክ ሂደት ውስጥ፣ መጠኑ ቋሚ ሆኖ ይቆያል። ስለዚህ፣ በስርዓቱ ወይም በስርዓቱ ላይ ምንም አይነት ስራ አይከናወንም፣ ምክንያቱም በእንደዚህ አይነት ጉዳዮች ላይ የሚሰራው ስራ የሚቀርበው በግፊት-መጠን ስራ ሲሆን፣ ይህም መጠኑ ካልተቀየረ ዜሮ ይሆናል።
6. ጋዝ "ተስማሚ" ነው ስንል ምን ማለት ነው?
   • መልስ: “ተስማሚ” ጋዝ ማለት በሁሉም የሙቀት እና የግፊት ሁኔታዎች ውስጥ ተስማሚ የጋዝ ህግን (PV = nRT) የሚከተል ነው። በተጨማሪም ጋዙ የኪነቲክ ቲዎሪ ቅድመ ሁኔታዎችን በትክክል ይከተላል፣ ምንም አይነት የኢንተርሞለኪውላር ኃይሎች እና ፍጹም የመለጠጥ ግጭቶች ሳይኖሩበት።
7. እውነተኛ ጋዞች ከተስማሚ ጋዞች ባህሪ እንዴት ይለያሉ?
   • መልስ: እውነተኛ ጋዞች በከፍተኛ ግፊት እና ዝቅተኛ የሙቀት መጠን ከተስማሚ ባህሪ ይርቃሉ። ይህ የሆነበት ምክንያት በመካከለኛ ሞለኪውሎች ኃይሎች መኖር እና የጋዝ ሞለኪውሎች ውስን መጠን በመኖራቸው ነው። ልዩነቶች በቫን ደር ዋልስ እኩልታ እና በሌሎች ተመሳሳይ እኩልታዎች ተገልጸዋል።

8. የመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ እንደ ጥበቃ ሕግ ሊታሰብ የሚችለው ለምንድን ነው?

   • መልስ: የመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ ሕግ እንደ ጥበቃ ሕግ ሊቆጠር ይችላል ምክንያቱም ኃይል ሊፈጠር ወይም ሊጠፋ አይችልም፣ ከአንድ ቅርጽ ወደ ሌላ መልክ ብቻ ሊተላለፍ ወይም ሊለወጥ አይችልም ይላል። ይህ የኃይል ጥበቃ መርህን ያንፀባርቃል።