የካርኔቲክ ንድፈ-ሀሳብ ጋዞችን

ኬየኪነቲክ ቲዎሪ እያንዳንዱ ንጥረ ነገር አቶሞችን ወይም ሞለኪውሎችን እንደሚያካትት እና አቶም ወይም ሞለኪውል ያለማቋረጥ በግዴለሽነት እንደሚንቀሳቀስ ይገልጻል። ይህ የኪነቲክ ቲዎሪ ግምት ከጋዝ ንጥረ ነገር አቶም ወይም ሞለኪውል ሁኔታ እና ሁኔታ ጋር ይዛመዳል። በጋዙ ውስጥ በሚፈጥሩት አቶሞች ወይም ሞለኪውሎች መካከል ያለው የመሳብ ኃይል ደካማ ስለሆነ አቶሞች ወይም ሞለኪውሎች በነፃነት መንቀሳቀስ ይችላሉ።

በሚንቀሳቀሱበት ጊዜ አቶሞች ወይም ሞለኪውሎች ፍጥነት አላቸው። አቶሞች ወይም ሞለኪውሎችም ክብደት አላቸው። ክብደት (m) እና ፍጥነት (v) ስላለው፣ አቶም ወይም ሞለኪውሉ የኪነቲክ ኃይል (KE) እና ሞመንተም (p) አለው። የኪነቲክ ኃይል፡ KE = 1/2 mv². ሞመንተም፡ p = m v. ከኪኔቲክ ኢነርጂ እና ሞመንተም በተጨማሪ፣ ኃይል (F) አለ። በነፃነት ሲንቀሳቀሱ፣ ግጭቶች መከሰት አለባቸው። ስለዚህ፣ ግጭት ሲከሰት በሚከሰቱ የሞመንተም ለውጦች ምክንያት ኃይል ይጨምራል። የኪኔቲክ ኢነርጂ፣ ሞመንተም እና ግፊቶች ስለ ተለዋዋጭነት (የእንቅስቃሴ፣ የግፊት እና የሞመንተም ህጎች) የምንወያይበት ዋና ነገር ናቸው። የጋዞች ኪኔቲክ ቲዎሪ በአቶሚክ ወይም በሞለኪውላር ደረጃ ተለዋዋጭነትን እንደሚተገብር መናገር እንችላለን።

ተስማሚ የጋዝ ጽንሰ-ሀሳብ (በጋዝ ማክሮስኮፒክ ባህሪዎች ላይ የተመሠረተ)

በጋዝ ህጎች ውይይት ላይ፣ የእውነተኛ ጋዝ ማክሮስኮፒክ ባህሪን የሚገልጹ ሦስት መጠኖች ተብራርተዋል። በጥያቄ ውስጥ ያሉት ሦስቱ መጠኖች የሙቀት መጠን (T)፣ የድምጽ መጠን (V) እና ግፊት (P) ናቸው። በእነዚህ ሶስት ማክሮስኮፒክ መጠኖች መካከል ያለው ግንኙነት በቦይል ህግ፣ በቻርለስ ህግ እና በጌይ ሉሳክ ህግ ውስጥ ተገልጿል። እነዚህ ሦስቱ ህጎች የሚተገበሩት በጣም ትልቅ ያልሆነ ግፊት እና ጥግግት (density = mass/volume) ላለው እውነተኛ ጋዝ ብቻ መሆኑን እባክዎ ልብ ይበሉ። እነዚህ ሦስቱ ህጎች የሚተገበሩት የሙቀት መጠኑ ከሚፈላበት ነጥብ አጠገብ ላለ እውነተኛ ጋዝ ብቻ ነው።

የቦይል ህግ፣ የቻርለስ ህግ እና የጌይ-ሉሳክ ህግ ለሁሉም እውነተኛ የጋዝ ሁኔታዎች አይተገበርም ስለዚህ ተስማሚ የጋዝ ሞዴል መፍጠር እንችላለን። ተስማሚ ጋዝ በዕለት ተዕለት ሕይወት ውስጥ የለም፤ ​​ተስማሚው ጋዝ ልክ እንደ ተስማሚ ግትር እና ፈሳሽ አካላት ሁሉ ትንታኔያችንን ለመርዳት የተሰራ ፍጹም ቅርፅ ብቻ ነው። ስለዚህ የቦይል ህግ፣ የቻርለስ ህግ እና የጌይ-ሉሳክ ህግ ለሁሉም ተስማሚ የጋዝ ሁኔታዎች እንደሚተገበሩ እናስባለን። ተስማሚ የጋዝ ሞዴል መኖር በማክሮስኮፒክ የጋዝ መጠኖች መካከል ያለውን ግንኙነት እንድንገመግም ይረዳናል።

ተስማሚ የጋዝ ሕግ በሁለት እኩልታዎች ይገለጻል፣ PV = nRT (በሞሎች ብዛት ተስማሚ የጋዝ ሕግ) እና PV = NkT (በሞለኪውሎች ብዛት ተስማሚ የጋዝ ሕግ)። ተስማሚ ጋዝ እነዚህን ሁለት እኩልታዎች እንደሚያሟላ እንገምታለን። በሌላ አነጋገር ተስማሚ የጋዝ ሕግ ለሁሉም ተስማሚ የጋዝ ሁኔታዎች ይሠራል፣ ተስማሚ የጋዝ ግፊት ወይም ክብደት ትልቅ ቢሆንም ወይም ተስማሚ የጋዝ ሙቀት ወደ መፍላት ነጥብ ሲቃረብ። በተቃራኒው ተስማሚ የጋዝ ሕግ ለሁሉም እውነተኛ የጋዝ ሁኔታዎች አይተገበርም። ተስማሚ የጋዝ ሕግ የሚተገበረው የእውነተኛው ጋዝ ግፊት እና ጥግግት በጣም ትልቅ በማይሆንበት ጊዜ ብቻ ነው። ተስማሚ የጋዝ ሕግ የሚተገበረው የእውነተኛው ጋዝ የሙቀት መጠን ከሚፈላበት ነጥብ አጠገብ በማይሆንበት ጊዜ ብቻ ነው። በዚህ አጭር መግለጫ መሠረት፣ እውነተኛ ጋዝ ከትክክለኛው ጋዝ ጋር ተመሳሳይ ባህሪያት አሉት ማለት እንችላለን እውነተኛ ጥግግት፣

ና የጋዝ ግፊት በጣም ትልቅ አይደለም እና ትክክለኛው የጋዝ ሙቀት ከሚፈላበት ነጥብ አጠገብ በማይሆንበት ጊዜ።

ከላይ የተገለጸው ተስማሚ ጋዝ ጽንሰ-ሀሳብ በማክሮስኮፒክ ባህሪያት ላይ ተመስርቶ ተገምግሟል። ተስማሚ ጋዝ ተስማሚ ሞዴል ብቻ ቢሆንም፣ ተስማሚ ጋዝ አሁንም በነፃነት የሚንቀሳቀሱ አቶሞችን ወይም ሞለኪውሎችን የያዘ ጋዝ ተደርጎ ይቆጠራል። ስለዚህ፣ ተስማሚውን የጋዝ ጽንሰ-ሀሳብ ከአጉሊ መነጽር አንፃር ብንወያይ ጥሩ ይሆናል።

ተስማሚ የጋዝ ጽንሰ-ሀሳብ (በጋዝ ጥቃቅን ባህሪያት ላይ የተመሠረተ)

የሚከተሉት በጋዝ ኪኔቲክ ቲዎሪ ላይ የተመሰረቱትን ተስማሚ ጋዝ ጥቃቅን ሁኔታዎችን የሚገልጹ አጭር መግለጫዎች ናቸው፡

1. ተስማሚ ጋዝ ሞለኪውሎች የሚባሉ ቅንጣቶችን ያካትታል። ተስማሚ የጋዝ ሞለኪውሎች አንድ አቶም ወይም በርካታ አቶሞችን ሊያካትቱ ይችላሉ። እያንዳንዱ ሞለኪውል ክብደት (ሜ) ያለው ሲሆን በተወሰነ ፍጥነት (v) በማንኛውም አቅጣጫ በዘፈቀደ ይንቀሳቀሳል።

2. በእያንዳንዱ ሞለኪውል መካከል ያለው ርቀት ከእያንዳንዱ ሞለኪውል ዲያሜትር የበለጠ ነው።

3. እነዚህ ሞለኪውሎች የእንቅስቃሴ ህጎችን ያከብራሉ እና ግጭቶች ሲከሰቱ እርስ በእርስ ይገናኛሉ።

4. በሞለኪውሎች እና በሞለኪውሎች መካከል ወይም በኮንቴይነር ግድግዳ ላይ ባሉ ሞለኪውሎች መካከል የሚፈጠሩ ግጭቶች ፍጹም ግጭት ናቸው፣ እና እያንዳንዱ ግጭት በአጭር ጊዜ ውስጥ ይከሰታል።

ፍጹም በሆነ ግጭት ውስጥ፣ የኃይል ጥበቃ ህግ (ከግጭት በፊት ያለው ኃይል = ከግጭት በኋላ ያለው ኃይል) እና የሞመንተም ጥበቃ ህግ (ከግጭት በኋላ ያለው ሞመንተም = ከግጭት በኋላ ያለው ሞመንተም) ይተገበራል።

የጋዞች ኪኔቲክ ቲዎሪ የግጭት ግምገማ

በማክሮስኮፒክ መጠኖች እና በአጉሊ መነጽር የጋዝ መጠኖች መካከል ያለውን የቁጥር ግንኙነት ይገምግሙ። የጋዝን ማክሮስኮፒክ ተፈጥሮ የሚገልጹት መጠኖች የሙቀት መጠን (T)፣ መጠን (V) እና ግፊት (P) ናቸው። የጋዝን ጥቃቅን ተፈጥሮ የሚገልጹት መጠኖች ደግሞ ጋዝን የሚያመነጩት አቶሞች ወይም ሞለኪውሎች ፍጥነት ወይም ፍጥነት (v)፣ ሞመንተም (p)፣ ኃይል (F) እና ኪኔቲክ ኢነርጂ (EK) ናቸው።

በተዘጋ መያዣ ውስጥ ያሉ አንዳንድ የጋዝ ሞለኪውሎችን እንገመግማለን። የሳጥኑ የጎን ርዝመት = l እና የመስቀለኛ ክፍል ስፋት = A.

ሞለኪውሎች ክብደት (ሜ) አላቸው፣ እና በሚንቀሳቀሱበት ጊዜ ሞለኪውሉ ፍጥነት (ቪ) አለው። መያዣው ስለተዘጋ፣ በሞለኪውሎች እና በመርከቡ ግድግዳ መካከል የA ወለል ስፋት ያለው ግጭት ሊኖር ይችላል።

ትንታኔውን ለማቃለል፣ በግራ ግድግዳ ላይ የሚከሰተውን ግጭት (ከz-ዘንግ ጋር ትይዩ የሆነው ግድግዳ) ብቻ ነው የምንወያየው። በመጀመሪያ፣ በአንድ ሞለኪውል የተከሰቱትን ግጭቶች እንወያያለን። ሞለኪውል 1 ብለን እንጠራዋለን። የሞለኪውላር ክብደት = m1 እና የእንቅስቃሴ ፍጥነት = v1። በግራ በኩል ያለው የእንቅስቃሴ አቅጣጫ አሉታዊ ሲሆን በቀኝ በኩል ያለው የእንቅስቃሴ አቅጣጫ ደግሞ አዎንታዊ እንዲሆን ተቀምጧል።

የኮንቴይነር ግድግዳውን ከመጋጨታችን በፊት፣ የሞለኪውላዊ እንቅስቃሴ ከ x-ዘንግ እና በግራ በኩል ካለው የእንቅስቃሴ አቅጣጫ ጋር ትይዩ እንደሆነ መገመት እንችላለን። ስለዚህ፣ በ x-ዘንግ ላይ የፍጥነት አካል አለ ይህም አሉታዊ ነው (-v)_1x) ምክንያቱም ክብደት ስላለው (ሜ₁) እና ፍጥነት (-v_1x) ሞለኪውሉ ሞመንተም አለው (p)₁ = -ሜ₁ v_1x) ይህ የመጀመሪያው ሞመንተም ነው። ከግድግዳ ጋር ሲጋጭ፣ ሞለኪውሉ በግድግዳው ላይ የተግባር ኃይል ይሰጣል። የተግባር ኃይል ስላለ፣ ግድግዳው የመልስ ኃይል ይሰጣል። ከግድግዳው የሚወጣው የምላሽ ኃይል ሞለኪውሉ በቀኝ በኩል እንዲንፀባረቅ ያደርገዋል። ወደ ቀኝ በሚወስደው የእንቅስቃሴ አቅጣጫ ምክንያት፣ የሞለኪውላዊ ፍጥነት ክፍሉ አዎንታዊ ነው (v)_1x) ከግጭቱ በኋላ ያለው የሞለኪውላዊ ሞመንተም p ነው።₂ = ሜ₁ v_1xይህ የመጨረሻው ጊዜ ነው።

በግጭቶች ምክንያት የሚፈጠረው የሞመንተም ለውጥ መጠን፡

ጠቅላላ ሞመንተም = የመጨረሻ ሞመንተም—የመጀመሪያ ሞመንተም

ጠቅላላ ፒ = ፒ₂ – ፒ₁

ጠቅላላ ፒ = ሜ₁ v_1x – (-ሜ)₁ v_1x)

ጠቅላላ ፒ = 2ሜ₁ v_1x

2m₁ v_1x = ለአንድ ግጭት አጠቃላይ ሞመንተም። ሞለኪውላዊ ግጭቶች ፍጹም ግጭት ስለሆኑ፣ ግጭቶች አንድ ጊዜ ብቻ ሳይሆን በተደጋጋሚ ይከሰታሉ። ፍጹም ግጭት ውስጥ፣ የኃይል ጥበቃ ህግ እና የሞመንተም ጥበቃ ህግ ይተገበራሉ። ከግጭቱ በፊት ያለው ኃይል እና ሞመንተም = ከግጭቱ በኋላ ያለው ኃይል እና ሞመንተም። ስለዚህ፣ ሞለኪውሉ መንቀሳቀሱን በፍፁም አያቆምም (ማለቂያ የሌለው ኃይል)። የሞለኪውላዊ ፍጥነትም በፍፁም አይቀንስም (ሞመንተም ይቀጥላል)።

ሞለኪውሉ ከግራ ግድግዳው ጋር ከተጋጨ በኋላ ወደ ቀኝ በኩል ይንቀሳቀሳል፤ የቀኝ ግድግዳውን እስኪመታ ድረስ። ሞለኪውሉ ወደ ግራ ተመልሶ ወደ ግራ ግድግዳው እንደገና ይንቀሳቀሳል። ምክንያቱም የሳጥኑ ጎን ርዝመት l = ከዚያም ለመጀመሪያ ጊዜ የግራ ግድግዳውን ከጋጨ በኋላ ሞለኪውሉ ለሁለተኛ ጊዜ የግራ ግድግዳውን ከመጋጨቱ በፊት 2 ሊትር ርቀት ይጓዛል። እስከ 2 ሊትር ድረስ ሲንቀሳቀሱ ሞለኪውሎች የተወሰነ የጊዜ ክፍተት () ያስፈልጋቸዋል።Δt) የጊዜ ክፍተት መጠን (Δt) ሞለኪውሉ እስከ 2 ሊትር ድረስ መንቀሳቀስ እንዳለበት፣ በሂሳብ ደረጃ፡

Δt በእያንዳንዱ ግጭት መካከል ያለው የጊዜ ክፍተት ነው። ግድግዳ ሲጋጭ፣ ሞለኪውሉ በግድግዳው ላይ የተግባር ኃይል ይሰጣል። በድርጊት ኃይል ምክንያት፣ ግድግዳው የምላሽ ኃይል ይሰጣል። የዚህ የምላሽ ኃይል መኖር ሞለኪውሉን እንደገና ወደ ቀኝ እንዲንቀሳቀስ ያደርገዋል። በዚህ ሁኔታ የሞለኪውላር እንቅስቃሴ አቅጣጫ ይለወጣል። መጀመሪያ ላይ ሞለኪውሉ ወደ ግራ (-v1x) ይንቀሳቀሳል፣ ግድግዳው ከተጋጨ በኋላ ሞለኪውሉ ወደ ቀኝ ይንቀሳቀሳል (v)_1x) የእንቅስቃሴ አቅጣጫ ለውጦች በሞመንተም ላይ ለውጦችን ያስከትላሉ (የመጨረሻው ሞመንተም - የመጀመሪያ ሞመንተም = m₁ v_1x – (-ሜ)₁ v_1x) = 2 ሜትር₁ v_1x) የሞመንተም ለውጥ የሚከሰተው በግድግዳው አጠቃላይ ኃይል ምክንያት ነው ማለት እንችላለን። በሂሳብ አኳያ በግድግዳው የተሰጠው አጠቃላይ ኃይል መጠን፡

ከላይ ባለው ሳጥን ውስጥ አንድ ሞለኪውል ብቻ ተገልጿል። ይህ ማለት በሳጥኑ ውስጥ አንድ የጋዝ ሞለኪውል ብቻ አለ ማለት አይደለም። እንደ እውነቱ ከሆነ ብዙ የጋዝ ሞለኪውሎች አሉ። በሳጥኑ ውስጥ ላሉት የጋዝ ሞለኪውሎች በሙሉ የሚፈቀደው የኃይል መጠን፣ በሂሳብ፡

ረ = ረ₁ + ረ₂ + ረ₃ + ….. + ኤፍ_n

F₁ = ለሞለኪውል 1 ጠቅላላ ኃይል

F₂ = ለሞለኪውል 2 ጠቅላላ ኃይል

F₃ = ለሞለኪውል 3 ጠቅላላ ኃይል

…… = ወዘተ

F_n = ለሞለኪውሎች ጠቅላላ ኃይል 4

n = የመጨረሻው ሞለኪውል።

m₁ = ሞለኪውላዊ ክብደት 1፣ ሜ₂ = ሞለኪውላዊ ክብደት 2፣ ሜ₃ = ሞለኪውላዊ ክብደት 3፣ mn = የመጨረሻው ሞለኪውል ክብደት። m₁ + ሜ₂ + ሜ₃ + ….. + ሜትር_n = m (በሳጥኑ ውስጥ ያለው የጋዝ ክብደት)። l = የሳጥኑ ጎን ርዝመት።

v_12x = ሞለኪውላዊ ፍጥነት 1፣ v_{22 x} = ሞለኪውላዊ ፍጥነት 2፣ v_{33 x} = የሞለኪውል ፍጥነት 3፣ v_{n2 x} = የመጨረሻው ሞለኪውል ፍጥነት። የእያንዳንዱ ሞለኪውል ፍጥነት ይለያያል፣ ስለዚህ የሁሉም ሞለኪውሎች አማካይ ፍጥነት ማስላት ያስፈልገናል። የአንድ ሞለኪውል አማካይ ፍጥነት ለማስላት፣ የሁሉም ሞለኪውሎች ፍጥነት በሞለኪውሎች ብዛት መከፋፈል እንችላለን። በጋዝ ኪኔቲክ ቲዎሪ ውስጥ፣ የሞለኪውሎች ብዛት ብዙውን ጊዜ ምልክት N ይሰጠዋል። በሂሳብ፣ የሁሉም ሞለኪውሎች አማካይ ፍጥነት የተጻፈው፡

Wኢ ኮኔክት የ እኩልታ ለ ከ ጋር የ እኩልታ ሀ፡

F = ኃይል፣ m = የጋዞች ብዛት፣ l = የሳጥኑ ጎን ርዝመት፣ N = የሞለኪውሎች ብዛት።

በቀደመው ማብራሪያ፣ ከ x-ዘንግ ጋር ትይዩ የሆኑ ሞለኪውሎች እንቅስቃሴ ግምት ውስጥ ያስገባል። ይህ ቅድመ-ግምት ትንታኔያችንን ቀላል ለማድረግ የተሰራ ነው። እንደ እውነቱ ከሆነ፣ በሳጥን ውስጥ ያሉ ሁሉም የጋዝ ሞለኪውሎች በዘፈቀደ በምንም አቅጣጫ አይንቀሳቀሱም። እንቅስቃሴው በዘፈቀደ ስለሚከሰት፣ በ x-ዘንግ ላይ አማካይ የፍጥነት አካል ከመኖሩ በተጨማሪ፣ ሞለኪውሉ በ y-ዘንግ ወይም በ z-ዘንግ ላይ አማካይ የፍጥነት አካል አለው። ስለዚህ፣ የጋዝ ሞለኪውል አማካይ ፍጥነት = በ x-ዘንግ፣ y-ዘንግ እና በ z-ዘንግ ላይ ያለው አማካይ የፍጥነት ክፍሎች ጠቅላላ ብዛት። በሂሳብ፡

ሞለኪውሎች በዘፈቀደ ስለሚንቀሳቀሱ፣ በx-axis፣ y-axis እና z-axis ላይ ያሉት የፍጥነት ክፍሎች ተመሳሳይ መጠን አላቸው። በሂሳብ፡

እንቀላቅላለን የ ቀመር 2 ጋር የ ቀመር 1 :

Wኢ ኮኔክት የ ቀመር 3 ጋር የ እኩልታnc :

ረ = የጋዝ ሞለኪውሎች በመያዣው ግድግዳ ላይ የሚያሳድሩት የኃይል መጠን፣ እሱም የ A ወለል ስፋት አለው።

በግፊት (P) እና በማይክሮስኮፒክ መጠን መካከል ያለው ግንኙነት

ግፊት (P) የጋዝን ማክሮስኮፒክ ባህሪ የሚገልጽ ብዛት ነው። በጋዙ ጥቃቅን ባህሪያት ላይ በመመስረት የሚኖረውን ግፊት ይገምግሙ። በግድግዳው ላይ ባለው የጋዝ ሞለኪውል የተሰጠው የግፊት መጠን መስቀለኛ ክፍል A ያለው ሲሆን የሚከተለው ነው፡

P = ግፊት፣ N = የጋዝ ሞለኪውሎች ብዛት፣ m = ክብደት፣ v = የአንድ ሞለኪውል አማካይ ፍጥነት፣ V = የመያዣው መጠን