የጋዞች ኪኔቲክ ቲዎሪ

የጋዞች ኪኔቲክ ቲዎሪ እያንዳንዱ ንጥረ ነገር ከአቶሞች ወይም ሞለኪውሎች የተዋቀረ መሆኑን እና እነዚህ አቶሞች ወይም ሞለኪውሎች በተከታታይ እና በዘፈቀደ እንቅስቃሴ ውስጥ እንደሚገኙ ይገልጻል። ይህ የኪነቲክ ቲዎሪ ጋዝን የሚያዋህዱትን አቶሞች ወይም ሞለኪውሎች ሁኔታ እና ሁኔታ ይገጥማል። ጋዝን በሚያዋህዱት አቶሞች ወይም ሞለኪውሎች መካከል ያለው ማራኪ ኃይል በጣም 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) ስላላቸው፣ አቶሞች ወይም ሞለኪውሎች የኪነቲክ ኃይል (EK) እና ሞመንተም (p) አላቸው። ኪኔቲክ ኢነርጂ : EK = 1⁄2 mv² . . የለውጡ : p = m v. ከኪነቲክ ኢነርጂ እና ሞመንተም በተጨማሪ፣ ኃይል (F) አለ። በነፃነት ሲንቀሳቀሱ፣ ግጭቶች መከሰታቸው የማይቀር ነው። ስለዚህ ኃይል የሚፈጠረው ግጭት ሲከሰት በሚፈጠረው ሞመንተም ለውጥ ምክንያት ነው። ስለ ግፊት እና ሞመንተም የተደረገውን ውይይት አስታውሱ። የኪነቲክ ኢነርጂ፣ ሞመንተም እና ግፊት ኃይል በዳይናሚክስ ቁስ ውስጥ የውይይታችን ዋና ነገር ናቸው (የኒውተን ህጎች፣ ግፊት እና ሞመንተም)። የጋዞች ኪነቲክ ቲዎሪ በእውነቱ የዳይናሚክስ ሳይንስን በጋዝ ንጥረ ነገሮች አቶሚክ ወይም ሞለኪውላዊ ደረጃ ላይ እንደሚተገብር መናገር እንችላለን።

ተስማሚ የጋዝ ጽንሰ-ሀሳብ (በጋዞች ማክሮስኮፒክ ባህሪያት ላይ የተመሠረተ)

በጋዝ ህጎች ውይይት ወቅት፣ የእውነተኛ ጋዞችን ማክሮስኮፒክ ባህሪያት የሚገልጹ ሦስት መጠኖች ተብራርተዋል። እነዚህ ሦስት መጠኖች የሙቀት መጠን (T)፣ የድምጽ መጠን (V) እና ግፊት (P) ናቸው። በእነዚህ ሦስት ማክሮስኮፒክ መጠኖች መካከል ያለው ግንኙነት በቦይል ህግ፣ በቻርለስ ህግ እና በጌይ-ሉሳክ ህግ ውስጥ ተገልጿል። እነዚህ ሶስት ህጎች የሚተገበሩት በአንጻራዊ ሁኔታ ዝቅተኛ ግፊት እና ጥግግት ላላቸው እውነተኛ ጋዞች ብቻ መሆኑን ልብ ሊባል ይገባል (ጥግነት = ክብደት / መጠን)። እነዚህ ሶስት ህጎች የሚተገበሩት የሙቀት መጠናቸው ወደ መፍላት ነጥባቸው ለማይደርሱ እውነተኛ ጋዞች ብቻ ነው።

የቦይል ህግ፣ የቻርለስ ህግ እና የጌይ-ሉሳክ ህግ ለሁሉም እውነተኛ የጋዝ ሁኔታዎች አይተገበሩም፣ ስለዚህ ተስማሚ የጋዝ ሞዴል መፍጠር እንችላለን። ተስማሚ ጋዞች በዕለት ተዕለት ሕይወት ውስጥ የሉም፤ እነሱ ሆን ብለው ሆን ብለው የተፈጠሩ ፍጹም ቅርጾች ናቸው፣ ልክ እንደ ግትር አካላት እና ተስማሚ ፈሳሾች። ስለዚህ፣ የቦይል ህግ፣ የቻርለስ ህግ እና የጌይ-ሉሳክ ህግ ለሁሉም ተስማሚ የጋዝ ሁኔታዎች እንደሚተገበሩ እንገምታለን። ተስማሚ የጋዝ ሞዴል መኖር በማክሮስኮፒክ የጋዝ መጠኖች መካከል ያለውን ግንኙነት እንድንመረምር ይረዳናል።

ተስማሚ የጋዝ ሕግ በሁለት እኩልታዎች ይገለጻል፤ እነሱም PV = nRT (በሞሎች ውስጥ ተስማሚ የጋዝ ሕግ) እና PV = NkT (በሞለኪውሎች ውስጥ ተስማሚ የጋዝ ሕግ)። ተስማሚ ጋዝ ሁለቱንም እኩልታዎች እንደሚያሟላ እንገምታለን። በሌላ አነጋገር ተስማሚ የጋዝ ሕግ ለሁሉም ተስማሚ የጋዝ ሁኔታዎች ይሠራል፣ የ ተስማሚ ጋዝ ግፊት ወይም ጥግግት በጣም ትልቅ ሲሆን እና ተስማሚ ጋዝ የሙቀት መጠን ወደ መፍላት ነጥብ ቅርብ ሲሆን። በተቃራኒው ተስማሚ የጋዝ ሕግ ለሁሉም እውነተኛ የጋዝ ሁኔታዎች አይተገበርም። ተስማሚ የጋዝ ሕግ የሚተገበረው የእውነተኛ ጋዝ ግፊት እና ጥግግት በጣም ትልቅ በማይሆንበት ጊዜ ብቻ ነው። ተስማሚ የጋዝ ሕግ የሚተገበረው የእውነተኛ ጋዝ የሙቀት መጠን ወደ መፍላት ነጥብ ቅርብ በማይሆንበት ጊዜ ብቻ ነው። በዚህ አጭር መግለጫ መሠረት፣ እውነተኛ ጋዞች ከተመቻቸ ጋዞች ጋር ተመሳሳይ ባህሪያት ያላቸው የእውነተኛው ጋዝ ጥግግት እና ግፊት በጣም ትልቅ በማይሆንበት ጊዜ እና የእውነተኛው ጋዝ የሙቀት መጠን ወደ መፍላት ነጥብ ቅርብ በማይሆንበት ጊዜ ብቻ ነው ማለት እንችላለን።

ከላይ የተገለጸው ተስማሚ የጋዝ ጽንሰ-ሀሳብ ከማክሮስኮፒክ እይታ አንጻር ይመረመራል። ተስማሚ ጋዝ ተስማሚ ሞዴል ብቻ ቢሆንም፣ አሁንም በነፃነት ከሚንቀሳቀሱ አቶሞች ወይም ሞለኪውሎች የተዋቀረ ጋዝ እንደሆነ ይቆጠራል። ስለዚህ፣ ተስማሚ የጋዝ ጽንሰ-ሀሳብን ከአጉሊ መነጽር እይታ አንጻር መወያየት ጠቃሚ ይሆናል።

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

የሚከተለው በኪኔቲክ ጋዞች ቲዎሪ ላይ የተመሠረተውን ተስማሚ ጋዝ ጥቃቅን ሁኔታዎችን የሚገልጽ አጭር መግለጫ ነው፡

1. ተስማሚ ጋዝ ሞለኪውሎች የሚባሉ ቅንጣቶችን ያካትታል። የሞለኪውሎች ብዛት በጣም ትልቅ ነው። ተስማሚ የጋዝ ሞለኪውሎች አንድ አቶም ወይም በርካታ አቶሞችን ሊያካትቱ ይችላሉ። እያንዳንዱ ሞለኪውል ክብደት (m) ያለው ሲሆን በተወሰነ ፍጥነት (v) በሁሉም አቅጣጫዎች በዘፈቀደ ይንቀሳቀሳል።

2. በእያንዳንዱ ሞለኪውል መካከል ያለው ርቀት ከእያንዳንዱ ሞለኪውል ዲያሜትር ይበልጣል።

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

4. በሞለኪውሎች ወይም በሞለኪውሎች እና በኮንቴይነሩ ግድግዳዎች መካከል የሚፈጠሩ ግጭቶች ፍጹም የመለጠጥ ግጭቶች ሲሆኑ እያንዳንዱ ግጭት በጣም በአጭር ጊዜ ውስጥ ይከሰታል።

ፍጹም በሆነ የመለጠጥ 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።

የኪኔቲክ ጋዞች ቲዎሪ ኢምፕልዝ-ግጭት ግምገማ

በማክሮስኮፒክ እና በማይክሮስኮፒክ የጋዝ መጠኖች መካከል ያለውን የቁጥር ግንኙነት ይገምግሙ። የጋዝን ማክሮስኮፒክ ባህሪያት የሚገልጹት መጠኖች የሙቀት መጠን (T)፣ መጠን (V) እና ግፊት (P) ናቸው። ይህ በእንዲህ እንዳለ፣ የጋዝን ጥቃቅን ባህሪያት የሚገልጹት መጠኖች ጋዝን የሚያዋህዱት አቶሞች ወይም ሞለኪውሎች ፍጥነት ወይም ፍጥነት (v)፣ ሞመንተም (p)፣ ኃይል (F) እና ኪኔቲክ ኢነርጂ (EK) ናቸው።

ይህንን ግንኙነት ለማግኘት፣ በተዘጋ መያዣ ውስጥ ያሉ በርካታ የጋዝ ሞለኪውሎችን እንመልከት። የሳጥኑ የጎን ርዝመት l ሲሆን የመስቀለኛ ክፍል ቦታው ደግሞ A ነው።

ሞለኪውሎች ክብደት (ሜ) አላቸው እና ሲንቀሳቀሱ ፍጥነት (ቪ) አላቸው። ኮንቴይነሩ ስለተዘጋ፣ በሞለኪውሎች እና በመያዣው ግድግዳዎች መካከል የገጽታ ስፋት ሀ (ኤ) ያለው ግጭት ሊኖር ይችላል።

ትንታኔውን ለማቃለል፣ በግራ ግድግዳ ላይ የሚከሰቱትን ግጭቶች (ግድግዳው ከዜድ-ዘንግ ጋር ትይዩ) ብቻ እናስባለን። በመጀመሪያ፣ በአንድ ሞለኪውል የተከሰቱትን ግጭቶች እንመልከት። ሞለኪውል ብለን እንጠራው 1. የሞለኪውል ክብደት 1 = m₁ እና የእንቅስቃሴው ፍጥነት = v₁የእንቅስቃሴ አቅጣጫ ወደ ግራ ወደ አሉታዊ እሴት ተቀናብሯል፣ የእንቅስቃሴ አቅጣጫ ወደ ቀኝ ደግሞ ወደ አዎንታዊ እሴት ተቀናብሯል።

የኮንቴይነሩን ግድግዳ ከመምታታችን በፊት የሞለኪዩሉ እንቅስቃሴ ከ x-ዘንግ ጋር ትይዩ እንደሆነ እና የእንቅስቃሴው አቅጣጫ ወደ ግራ እንደሆነ መገመት እንችላለን። ስለዚህ፣ በ x-ዘንግ ላይ አሉታዊ እሴት ያለው የፍጥነት ክፍል አለ (‐v)_1x ) ምክንያቱም ክብደት ስላለው (ሜ₁) እና ፍጥነት (-v_1x) ከዚያም ሞለኪውሉ ሞመንተም አለው (p₁ = -ሜ₁ v_1x) ይህ የመጀመሪያው ሞመንተም ነው። ሞለኪውሉ ግድግዳውን ሲመታ፣ በግድግዳው ላይ የድርጊት ኃይል ይፈጥራል። የድርጊት ኃይል ስላለ፣ ግድግዳው የግብረ ምላሽ ኃይል ያመነጫል። ከግድግዳው የሚወጣው የግብረ ምላሽ ኃይል ሞለኪውሉ ወደ ቀኝ እንዲንከባለል ያደርገዋል። የእንቅስቃሴው አቅጣጫ ወደ ቀኝ ስለሆነ፣ የሞለኪውሉ የፍጥነት ክፍል አዎንታዊ ነው (v)።_1x) ከግጭቱ በኋላ የሞለኪዩሉ ሞመንተም፡ p₂ = ሜ₁ v_1xይህ የመጨረሻው ሞመንተም ነው።

በግጭቱ ምክንያት የሚፈጠረው የፍጥነት 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። የሞለኪውላር ግጭቶች ፍጹም የመለጠጥ ችሎታ ስላላቸው፣ አንድ ጊዜ ብቻ ሳይሆን በተደጋጋሚ ይከሰታሉ። ፍጹም በሆነ የመለጠጥ ግጭት፣ የኃይል ጥበቃ ህጎች እና የሞመንተም ጥበቃ ህግ ይተገበራሉ። ከግጭቱ በፊት ያለው ኃይል እና ሞመንተም = ከግጭቱ በኋላ ያለው ኃይል እና ሞመንተም። ስለዚህ፣ ሞለኪውሎች መንቀሳቀስን በፍፁም አያቆሙም (ኃይል ይጠበቃል)። የሞለኪውሎቹ ፍጥነትም በፍፁም አይቀንስም (ሞመንተም ተጠብቆ ይቆያል)።

ሞለኪውሉ ከግራ ግድግዳ ጋር ከተጋጨ በኋላ ከቀኝ ግድግዳ ጋር እስኪጋጭ ድረስ ወደ ቀኝ ይንቀሳቀሳል። ከቀኝ ግድግዳ ጋር ከተጋጨ በኋላ ሞለኪውሉ ከግራ ግድግዳ ጋር እንደገና ለመጋጨት ወደ ግራ ይመለሳል። የሳጥኑ ጎን ርዝመት = l፣ ከዚያም ለመጀመሪያ ጊዜ ከግራ ግድግዳ ጋር ከተጋጨ በኋላ ሞለኪውሉ ለሁለተኛ ጊዜ ከግራ ግድግዳ ጋር ከመጋጨቱ በፊት 2l ርቀት ይጓዛል (2l = የዙር ጉዞ ርቀት)። የ2l ርቀት ሲንቀሳቀስ ሞለኪውሉ በእርግጠኝነት የተወሰነ የጊዜ ክፍተት ያስፈልገዋል (ዴልታ t እንበል)። ሞለኪውሉ 2l ርቀት እንዲንቀሳቀስ የሚያስፈልገው የጊዜ ክፍተት (ዴልታ t) መጠን በሂሳብ እንደሚከተለው ተጽፏል፡

ዴልታ t በእያንዳንዱ ግጭት መካከል ያለው የጊዜ ክፍተት ነው። ሞለኪውሉ ከግድግዳው ጋር ሲጋጭ፣ በግድግዳው ላይ የድርጊት ኃይል ይፈጥራል። የድርጊት ኃይል ስለሚያጋጥመው፣ ግድግዳው የግብረ ምላሽ ኃይልን ያመነጫል። ይህ የግብረ ምላሽ ኃይል ሞለኪውሉ እንደገና ወደ ቀኝ እንዲንቀሳቀስ ያደርገዋል። በዚህ ሁኔታ የሞለኪውሉ እንቅስቃሴ አቅጣጫ ይለወጣል። መጀመሪያ ላይ ሞለኪውሉ ወደ ግራ ይንቀሳቀሳል (-v)_1x) ግድግዳውን ከመታ በኋላ ሞለኪውሉ ወደ ቀኝ ይንቀሳቀሳል (v_1x) በእንቅስቃሴ አቅጣጫ ላይ የሚደረጉ ለውጦች በሞመንተም ላይ ለውጦችን ያስከትላሉ (የመጨረሻው ሞመንተም - የመጀመሪያ ሞመንተም = m1 v1x - (‐m1 v1x) = 2m1 v1x)። የሞመንተም ለውጥ የሚከሰተው ግድግዳው በሚፈጽመው አጠቃላይ ኃይል ምክንያት ነው ማለት እንችላለን። ግድግዳው የሚፈጽመው አጠቃላይ ኃይል መጠን፣ በሂሳብ አኳያ፡

ከላይ ያለው ሳጥን አንድ ሞለኪውል ብቻ ያሳያል። ይህ ማለት በሳጥኑ ውስጥ አንድ የጋዝ ሞለኪውል ብቻ አለ ማለት አይደለም። እንደ እውነቱ ከሆነ፣ ብዙ የጋዝ ሞለኪውሎች አሉ። በሳጥኑ ውስጥ ባሉት ሁሉም የጋዝ ሞለኪውሎች ላይ ያለው የጠቅላላ ኃይል መጠን በሂሳብ ደረጃ ነው፡

ረ = F1 + F2 + F3 +….. + Fn

F1 = ለሞለኪውል 1 ጠቅላላ ኃይል

F2 = ለሞለኪውል 2 ጠቅላላ ኃይል

F3 = ለሞለኪውል 3 ጠቅላላ ኃይል

…… = ወዘተ

Fn = ለሞለኪውል 4 ጠቅላላ ኃይል

የሞለኪውሎች ብዛት በጣም ትልቅ ስለሆነ በቀላሉ n. n = የመጨረሻውን ሞለኪውል እንጽፋለን።

m1 = የሞለኪውል ክብደት 1፣ m2 = የሞለኪውል ክብደት 2፣ m3 = የሞለኪውል ክብደት 3፣ mn = የመጨረሻው ሞለኪውል ክብደት። m1 + m2 + m3 + ….. + mn = m (በሳጥኑ ውስጥ የጋዝ ክብደት)። l = የሳጥኑ ጎን ርዝመት። ሁሉም ሞለኪውሎች በተመሳሳይ l መጓዝ አለባቸው።

v_12x = የሞለኪውል ፍጥነት 1፣ v_{22 x} = የሞለኪውል ፍጥነት 2፣ v_{33 x} = የሞለኪውል ፍጥነት 3፣ v_{n2 x} = የመጨረሻው የሞለኪውል ፍጥነት። የእያንዳንዱ ሞለኪውል ፍጥነት የተለየ ነው፣ ስለዚህ የሁሉም ሞለኪውሎች አማካይ ፍጥነት ማስላት ያስፈልገናል። የሞለኪውሎችን አማካይ ፍጥነት ለማስላት፣ የሁሉም ሞለኪውሎች ፍጥነት በሞለኪውሎች ብዛት መከፋፈል እንችላለን። በጋዞች ኪኔቲክ ቲዎሪ ውስጥ፣ የሞለኪውሎች ብዛት ብዙውን ጊዜ ምልክት N ይሰጠዋል። በሂሳብ፣ የሁሉም ሞለኪውሎች አማካይ ፍጥነት እንደሚከተለው ይጻፋል፡

በቀደመው ማብራሪያ፣ ሞለኪውሎቹ ከ x-ዘንግ ጋር ትይዩ እንደሚንቀሳቀሱ ተገምቷል። ይህ ግምት የተደረገው ትንታኔውን ለማቃለል ብቻ ነው። እንደ እውነቱ ከሆነ፣ በሳጥኑ ውስጥ ያሉት ሁሉም የጋዝ ሞለኪውሎች በዘፈቀደ በሁሉም አቅጣጫዎች አይንቀሳቀሱም። እንቅስቃሴያቸው በዘፈቀደ ስለሚከሰት፣ በ x-ዘንግ ላይ አማካይ የፍጥነት አካል ከመኖሩ በተጨማሪ፣ ሞለኪውሎቹ በ y-ዘንግ ወይም በ z-ዘንግ ላይ አማካይ የፍጥነት አካል አላቸው። ስለዚህ፣ የጋዝ ሞለኪውሎች አማካይ ፍጥነት = በ x-ዘንግ፣ y-ዘንግ እና z-ዘንግ ላይ ያሉት አማካይ የፍጥነት ክፍሎች ጠቅላላ ድምር። በሂሳብ፣ እንደሚከተለው ተጽፏል፡

ሞለኪውሎቹ በዘፈቀደ ስለሚንቀሳቀሱ፣ በx-axis፣ y-axis እና z-axis ላይ ያሉት የፍጥነት ክፍሎች ተመሳሳይ መጠን አላቸው። በሂሳብ፣ ይህ እንደሚከተለው ተጽፏል፡

ረ = የጋዝ ሞለኪውሎች በአንድ ኮንቴይነር ግድግዳ ላይ የሚያሳድሩት የኃይል መጠን ኤ የገጽታ ስፋት አለው።

በግፊት (P) እና በማይክሮስኮፒክ መጠኖች መካከል ያለው ግንኙነት

ግፊት (P) የጋዝን ማክሮስኮፒክ ባህሪያትን የሚያመለክት ብዛት ነው። በጋዝ ጥቃቅን ባህሪያት ላይ በመመስረት ግፊቱን ያስቡበት። የጋዝ ሞለኪውሎች የመስቀለኛ ክፍል A ባለው ግድግዳ ላይ የሚያሳድሩት የግፊት መጠን፡

መረጃ፡

ፒ = ግፊት

N = የጋዝ ሞለኪውሎች ብዛት

ሜትር = ክብደት

v = የሞለኪውሎች አማካይ ፍጥነት

V = የእቃው መጠን