Hreyfifræði lofttegunda segir að hvert efni sé samsett úr atómum eða sameindum og að þessi atóm eða sameindir séu í stöðugri, handahófskenndri hreyfingu. Þessi tilgáta hreyfifræðinnar passar við aðstæður og skilyrði atómanna eða sameindanna sem mynda lofttegund. Aðdráttarkraftarnir milli atómanna eða sameindanna sem mynda lofttegund eru mjög veikir, sem gerir atómunum eða sameindunum kleift að hreyfast frjálslega.
Þegar atóm eða sameindir hreyfast hafa þau hraða. Atóm eða sameindir hafa einnig massa. Þar sem þau hafa massa (m) og hraða (v) hafa atóm eða sameindir hreyfiorku (EK) og skriðþunga (p). Hreyfiorka : EK = 1⁄2 mv 2. En skriðþungi : p = m v. Auk hreyfiorku og skriðþunga er einnig til kraftur (F). Þegar hreyfist frjálst eru árekstrar vissulega til staðar. Þess vegna myndast kraftur vegna breytinga á skriðþunga þegar árekstur á sér stað. Munið aftur eftir umræðunni um högg og skriðþunga. Hreyfiorka, skriðþungi og höggkraftur eru kjarninn í umræðu okkar í efninu um hreyfifræði (lögmál Newtons, högg og skriðþungi). Við getum sagt að hreyfifræði lofttegunda beiti í raun vísindum um hreyfifræði á stigi atóma eða sameinda sem mynda lofttegundir.
Hugtakið hugsjóngas (byggt á makróskópískum eiginleikum lofttegunda)
Í umræðu um gaslögmálin voru þrjár stærðir útskýrðar sem lýsa makróskópskum eiginleikum raunverulegra lofttegunda. Þessar þrjár stærðir eru hitastig (T), rúmmál (V) og þrýstingur (P). Sambandið milli þessara þriggja makróskópísku stærða er tjáð í lögmáli Boyle, lögmáli Charles og lögmáli Gay-Lussac. Taka skal fram að þessi þrjú lögmál eiga aðeins við um raunverulegar lofttegundir sem hafa tiltölulega lágan þrýsting og eðlisþyngd (eðlisþyngd = massi / rúmmál). Þessi þrjú lögmál eiga einnig aðeins við um raunverulegar lofttegundir þar sem hitastig þeirra nálgast ekki suðumark þeirra.
Lögmál Boyle, lögmál Charles og lögmál Gay-Lussac eiga ekki við um allar raunverulegar gasaðstæður, þannig að við getum búið til líkan fyrir kjörgas. Kjörgas eru ekki til í daglegu lífi; þær eru einfaldlega fullkomin form sem eru búin til af ásettu ráði til að auðvelda greiningu okkar, svipað og stífir hlutir og kjörvökvar. Þess vegna gerum við ráð fyrir að lögmál Boyle, lögmál Charles og lögmál Gay-Lussac eigi við um allar kjörgasaðstæður. Tilvist kjörgaslíkans hjálpar okkur að skoða sambandið milli stórsæja gasmagna.
Kjörgaslögmálið er tjáð í tveimur jöfnum, þ.e. PV = nRT (kjörgaslögmálið í mólum) og PV = NkT (kjörgaslögmálið í sameindum). Við gerum ráð fyrir að kjörgas uppfylli báðar þessar jöfnur. Með öðrum orðum, kjörgaslögmálið á við um allar kjörgasaðstæður, bæði þegar þrýstingur eða eðlisþyngd kjörgassins er mjög mikil og þegar hitastig kjörgassins er nálægt suðumarki. Aftur á móti á kjörgaslögmálið ekki við um allar raunverulegar gasaðstæður. Kjörgaslögmálið á aðeins við þegar þrýstingur og eðlisþyngd raunverulegs gass eru ekki of mikil. Kjörgaslögmálið á einnig aðeins við þegar hitastig raunverulegs gass er ekki nálægt suðumarki. Byggt á þessari stuttu lýsingu getum við sagt að raunverulegar lofttegundir hafi svipaða eiginleika og kjörgas aðeins þegar eðlisþyngd og þrýstingur raunverulegs gass eru ekki of mikil og þegar hitastig raunverulegs gass er ekki nálægt suðumarki.
Hugtakið kjörgas, sem útskýrt er hér að ofan, er skoðað frá makróskópísku sjónarhorni. Þótt kjörgas sé aðeins hugsjónarlíkan, er það samt talið vera gas sem samanstendur af frjálslega hreyfanlegum atómum eða sameindum. Þess vegna væri gagnlegt að ræða einnig hugtakið kjörgas frá smásjársjónarhorni.
Hugtakið hugsjóngas (byggt á smásjáreiginleikum lofttegunda)
Eftirfarandi er stutt lýsing sem lýsir smásæjum skilyrðum hugsjónargass, sem byggir á hreyfiorkukenningu lofttegunda:
1. Kjörgas samanstendur af ögnum sem kallast sameindir. Fjöldi sameinda er mjög mikill. Kjörgassameindir geta samanstaðið af einu atómi eða fleiri atómum. Hvert sameind hefur massa (m) og hreyfist af handahófi í allar áttir með ákveðnum hraða (v).
2. Fjarlægðin milli hverrar sameindar er meiri en þvermál hverrar sameindar.
3. Þessar sameindir hlýða hreyfingarlögmálum og hafa samskipti sín á milli þegar árekstrar eiga sér stað.
4. Árekstrar milli sameinda eða milli sameinda og veggja ílátsins eru fullkomlega teygjanlegir árekstrar og hver árekstur á sér stað á mjög skömmum tíma.
Í fullkomlega teygjanlegum árekstri gildir lögmálið um varðveislu orkunnar (orka fyrir árekstur = orka eftir árekstur) og lögmálið um varðveislu skriðþunga (skriðþungi fyrir árekstur = skriðþungi eftir árekstur).
Yfirlit yfir árekstrarhneigð fyrir hreyfifræði lofttegunda
Farið yfir megindlega tengslin milli makróskóps og smásæis magns gass. Stærðirnar sem lýsa makróskópskum eiginleikum gass eru hitastig (T), rúmmál (V) og þrýstingur (P). Á sama tíma eru stærðirnar sem lýsa smásæjum eiginleikum gass hraði (v), skriðþungi (p), kraftur (F) og hreyfiorka (EK) atómanna eða sameindanna sem mynda gasið.
Til að hjálpa okkur að leiða út þetta samband skulum við skoða fjölda gassameinda í lokuðu íláti. Hliðarlengd kassans er l og þversniðsflatarmál hans er A.
Sameindir hafa massa (m) og þegar þær hreyfast hafa þær hraða (v). Þar sem ílátið er lokað er möguleiki á árekstri milli sameinda og veggja ílátsins sem hafa yfirborðsflatarmál A.
Til að einfalda greininguna skoðum við einfaldlega áreksturinn sem verður á vinstri veggnum (veggnum sem er samsíða z-ásnum). Byrjum á áreksturinn sem ein sameind verður fyrir. Köllum hana sameind 1. Massi hennar er m1 og hraði hennar er v1 . Hreyfistefnan til vinstri er stillt á neikvæð, en hreyfingistefnan til hægri er stillt á jákvæð.
Við getum gert ráð fyrir að áður en sameindin lendir á vegg ílátsins sé hreyfing hennar samsíða x-ásnum og hreyfingarstefna hennar sé til vinstri. Þess vegna er hraðaþáttur á x-ásnum sem hefur neikvætt gildi (-v1x ). Vegna þess að það hefur massa (m1) og hraði (-v1x), þá hefur sameindin skriðþunga (p1 = ‐m1 v1x). Þetta er upphafsskriðþunginn. Þegar sameindin lendir á veggnum verkar hún á vegginn með krafti. Vegna þess að það er kraftur, verkar veggurinn með viðbragðskrafti. Viðbragðskrafturinn frá veggnum veldur því að sameindin hoppar til hægri. Vegna þess að hreyfingaráttin er til hægri er hraðaþáttur sameindarinnar jákvæður (v1xSkriðþungi sameindarinnar eftir áreksturinn er: p2 = m1 v1xÞetta er loka skriðþunginn.
Stærð breytingarinnar á skriðþunga vegna árekstrarins er:
Heildarskriðþungi = lokaskriðþungi – upphafsskriðþungi
p samtals = p 2 – p 1
p samtals = m1 v 1x - ( -m1 v 1x )
p samtals = 2m 1 v 1x
2m 1 v 1x = heildarskriðþungi fyrir einn árekstur. Þar sem sameindaárekstrar eru fullkomlega teygjanlegir eiga þeir sér ekki aðeins einu sinni heldur endurtekið. Í fullkomlega teygjanlegum árekstri gilda lögmál varðveislu orku og lögmál varðveislu skriðþunga. Orka og skriðþungi fyrir árekstur = orka og skriðþungi eftir árekstur. Þess vegna munu sameindir aldrei hætta að hreyfast (orka varðveitist). Hraði sameindanna minnkar heldur aldrei (skriðþungi varðveitist).
Eftir árekstur við vinstri vegginn færist sameindin til hægri þar til hún rekst á hægri vegginn. Eftir árekstur við hægri vegginn færist sameindin aftur til vinstri til að rekast aftur á vinstri vegginn. Þar sem lengd hliðar kassans er = l, þá mun sameindin, eftir að hafa rekist á vinstri vegginn í fyrsta skipti, ferðast vegalengdina 2l áður en hún rekst á vinstri vegginn í annað sinn (2l = vegalengd fram og til baka). Þegar sameindin ferðast vegalengdina 2l þarf hún ákveðið tímabil (köllum það delta t). Tímabilið (delta t) sem þarf til að sameindin færi vegalengdina 2l er ritað stærðfræðilega svona:
Delta t er tíminn sem líður á milli árekstra. Þegar sameindin lendir á veggnum verkar hún á vegginn með krafti. Vegna þess að hún fær kraftinn verkar veggurinn með viðbragðskrafti. Við þetta viðbragðskraft veldur það því að sameindin færist aftur til hægri. Í þessu tilfelli breytist hreyfingarátt sameindinnar. Í fyrstu færist sameindin til vinstri (-v 1x ), eftir að hafa rekist á vegginn færist sameindin til hægri (v 1x ). Breyting á hreyfingarátt veldur breytingu á skriðþunga (lokamómentum - upphafsmómentum = m1 v1x - (-m1 v1x) = 2m1 v1x). Við getum sagt að breytingin á skriðþunga eigi sér stað vegna heildarkraftsins sem veggurinn verkar á. Stærð heildarkraftsins sem veggurinn verkar á, stærðfræðilega séð:
Ramminn hér að ofan sýnir aðeins eina sameind. Þetta þýðir ekki að það sé aðeins ein gassameind í kassanum. Í raun og veru eru margar gassameindir. Stærð heildarkraftsins sem verkar á allar gassameindirnar í kassanum er stærðfræðilega:
F = F1 + F2 + F3 +….. + Fn
F1 = heildarkraftur fyrir sameind 1
F2 = heildarkraftur fyrir sameind 2
F3 = heildarkraftur fyrir sameind 3
…… = og svo framvegis
Fn = heildarkraftur fyrir sameind 4
Fjöldi sameinda er mjög mikill, svo við skrifum einfaldlega táknið n. n = síðasta sameindin.
m1 = massi sameindar 1, m2 = massi sameindar 2, m3 = massi sameindar 3, mn = massi síðustu sameindarinnar. m1 + m2 + m3 + ….. + mn = m (massi gassins í kassanum). l = lengd hliðar kassans. Allar sameindir verða að ferðast sömu leið l.
v 12x = hraði sameindar 1, v 22 x = hraði sameindar 2, v 33 x = hraði sameindar 3, v n2 x = hraði síðustu sameindarinnar. Hraði hverrar sameindar er mismunandi, þess vegna þurfum við að reikna meðalhraða allra sameindanna. Til að reikna meðalhraða sameindanna getum við deilt hraða allra sameindanna með fjölda sameinda. Í hvarffræði lofttegunda er fjöldi sameinda venjulega gefinn með tákninu N. Stærðfræðilega er meðalhraði allra sameindanna skrifaður svona:
Í fyrri útskýringunni var gert ráð fyrir að sameindirnar færist samsíða x-ásnum. Þessi forsenda var eingöngu gerð til að einfalda greininguna. Í raun og veru hreyfast allar gassameindirnar í kassanum ekki af handahófi í allar áttir. Þar sem hreyfing þeirra á sér stað af handahófi, auk þess að hafa meðalhraðaþátt á x-ásnum, hafa sameindirnar einnig meðalhraðaþátt á y-ásnum eða z-ásnum. Þannig er meðalhraði gassameindanna = heildarsumma meðalhraðaþáttanna á x-ásnum, y-ásnum og z-ásnum. Stærðfræðilega er það skrifað svona:
Þar sem sameindirnar hreyfast af handahófi eru hraðaþættirnir á x-ásnum, y-ásnum og z-ásnum jafn stórir. Stærðfræðilega er þetta ritað á eftirfarandi hátt:
F = stærð kraftsins sem gassameindir beita á veggi íláts sem hefur yfirborðsflatarmál A.
Tengsl milli þrýstings (P) og smásjárstærða
Þrýstingur (P) er stærð sem gefur til kynna makróskópíska eiginleika gass. Skoðum þrýsting út frá smásjáreiginleikum gass. Stærð þrýstingsins sem gassameindir beita á vegg með þversniðsflatarmál A er:
Upplýsingar:
P = Þrýstingur
N = Fjöldi gassameinda
m = massi
v = Meðalhraði sameinda
V = rúmmál íláts
