บทความฟิสิกส์เกี่ยวกับปรากฏการณ์ธรรมชาติ ฯลฯ ที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์
โรเบิร์ต บอยล์ (ค.ศ. 1627–1691) ได้ทำการทดลองเพื่อศึกษาความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างความดันและปริมาตรของแก๊ส การทดลองนี้เกี่ยวข้องกับการใส่แก๊สปริมาณหนึ่งลงในภาชนะปิด เขาค้นพบโดยประมาณว่า ถ้าอุณหภูมิของแก๊สคงที่ ความดันของแก๊สจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่ปริมาตรของแก๊สจะลดลง ในทางกลับกัน เมื่อความดันของแก๊สลดลง ปริมาตรของแก๊สจะเพิ่มขึ้น ความดันของแก๊สแปรผกผันกับปริมาตรของแก๊ส ความสัมพันธ์นี้เรียกว่ากฎของบอยล์ในทางคณิตศาสตร์:
ทฤษฎีจลน์ของแก๊สกล่าวว่า สสารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุล และอะตอมหรือโมเลกุลเหล่านี้เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องและสุ่ม สมมติฐานของทฤษฎีจลน์นี้สอดคล้องกับสถานการณ์และเงื่อนไขของอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบเป็นแก๊ส แรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบเป็นแก๊สนั้นอ่อนมาก ทำให้อะตอมหรือโมเลกุลสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ
เมื่อเคลื่อนที่ อะตอมหรือโมเลกุลจะมีอัตราเร็ว นอกจากนี้อะตอมหรือโมเลกุลยังมีมวล เนื่องจากมีมวล (m) และอัตราเร็ว (v) อะตอมหรือโมเลกุลจึงมีพลังงานจลน์ (EK) และโมเมนตัม (p) พลังงานจลน์ : EK = 1/2 mv² ส่วนโมเมนตัม: p = mv นอกจากพลังงานจลน์และโมเมนตัมแล้ว ยังมีแรง (F) ด้วย เมื่อเคลื่อนที่อย่างอิสระ การชนกันย่อมเกิดขึ้นอย่างแน่นอน ดังนั้นแรงจึงเกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมเมื่อเกิดการชนกัน โปรดจำการอภิปรายเกี่ยวกับแรงดลและโมเมนตัมอีกครั้ง พลังงานจลน์ โมเมนตัม และแรงดลเป็นหัวใจสำคัญของการอภิปรายของเราในเนื้อหาเรื่องพลศาสตร์ (กฎของนิวตัน แรงดล และโมเมนตัม) เราอาจกล่าวได้ว่าทฤษฎีจลน์ของแก๊สเป็นการประยุกต์ใช้ศาสตร์ของพลศาสตร์ในระดับอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นสารแก๊ส
พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊ส
นอกจากความดันแล้ว ปริมาณอีกอย่างหนึ่งที่บ่งชี้คุณสมบัติระดับมหภาคของแก๊สคืออุณหภูมิ (T) สมการความดันของแก๊สที่ได้มาจากหัวข้อทฤษฎีจลน์ของแก๊สถูกเขียนใหม่อีกครั้ง:
สมการกฎของแก๊สอุดมคติที่ได้มาจากการอธิบายในหัวข้อกฎของแก๊สอุดมคติถูกเขียนซ้ำอีกครั้ง:
ในชั้นบรรยากาศของโลกไม่มีก๊าซฮีเลียมและไฮโดรเจนอิสระ มีเพียงไนโตรเจน (78%), ออกซิเจน (21%), อาร์กอน (0,90%), คาร์บอนไดออกไซด์ ฯลฯ ชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์เกือบทั้งหมดเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂ )ชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีมีฮีเลียมและไฮโดรเจนอิสระอยู่มาก ดวงจันทร์ไม่มีชั้นบรรยากาศ ทำไมชั้นบรรยากาศของแต่ละดาวเคราะห์จึงแตกต่างกัน? ทำไมในชั้นบรรยากาศของโลกจึงไม่มีฮีเลียมและไฮโดรเจนอิสระ?
ความเร็วเฉลี่ยกำลังสอง (Root mean square velocity) = รากกำลังสองเฉลี่ย = v rmsเราสามารถหาอนุพันธ์ของสมการ v rms ได้ โดยการเปลี่ยนสมการอุณหภูมิและพลังงานจลน์ให้เป็นสมการการเคลื่อนที่เชิงเส้น
ทฤษฎีบทการแบ่งส่วนพลังงานอย่างเท่าเทียมกันนั้นได้มาจากการคิดค้นทางทฤษฎีของคลาร์ก แม็กซ์เวลล์ โดยใช้กลศาสตร์เชิงสถิติ เรียกว่าเป็นทฤษฎีบทเพราะไม่มีหลักฐานเชิงทดลองมาพิสูจน์ การแบ่งส่วนพลังงานอย่างเท่าเทียมกันหมายถึงการกระจายพลังงานอย่างเท่าเทียมกัน
พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่เชิงเส้นตรงได้มาจากการเคลื่อนที่เชิงเส้นตรง ซึ่งมีองค์ประกอบความเร็วสามองค์ประกอบ ได้แก่ แกน x แกน y และแกน z องค์ประกอบความเร็วทั้งสามนี้เป็นเหตุผลที่ทำให้มีเลข 3 ปรากฏในสมการข้างต้น องค์ประกอบความเร็วแต่ละองค์ประกอบเรียกว่าระดับความเป็นอิสระ เนื่องจากมีองค์ประกอบความเร็วสามองค์ประกอบ พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่เชิงเส้นตรงจึงมีสามระดับความเป็นอิสระ
ถ้าเราสังเกตดีๆ ตอนแรกๆ เรายังคงเห็นควันจากการเผาไหม้อยู่ แต่หลังจากนั้นสักพัก ควันก็จะจางหายไป เคยใช้น้ำหอมไหม? แม้ว่าคุณจะฉีดน้ำหอมในห้องของคุณ คนนอกบ้านก็ยังได้กลิ่นหอมอยู่เช่นเดียวกัน ถ้าคุณแม่ของคุณทำอาหารอร่อยๆ ในครัว กลิ่นหอมก็จะลอยไปถึงบ้านเพื่อนบ้าน ทำไมถึงเป็นเช่นนั้น?
ยังมีตัวอย่างอื่นๆ อีกมากมาย เช่น ถ้าคุณหยดหมึกหรือสีผสมอาหารสองสามหยดลงในแก้วน้ำใส หมึกหรือสีผสมอาหารนั้นจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งน้ำ กระบวนการนี้เกิดขึ้นเองโดยอัตโนมัติ ตัวอย่างข้างต้นเป็นปรากฏการณ์การแพร่กระจายที่พบเห็นได้บ่อยในชีวิตประจำวัน การแพร่กระจายคือกระบวนการเคลื่อนย้ายโมเลกุลของสารจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ ความเข้มข้นหมายถึงจำนวนโมเลกุล/โมลของสารต่อปริมาตร บริเวณที่มีความเข้มข้นสูงคือบริเวณที่มีโมเลกุลของสารจำนวนมากต่อปริมาตร ในทางกลับกัน บริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำคือบริเวณที่มีโมเลกุลจำนวนน้อยต่อปริมาตร
ความชื้นหมายถึงปริมาณไอน้ำในอากาศ เมื่อฝนตก อากาศจะชื้นมากเพราะมีไอน้ำอยู่มาก ในทางกลับกัน หากอากาศมีไอน้ำน้อยมากหรือไม่มีเลย อากาศก็จะแห้งมาก ปริมาณไอน้ำในอากาศแสดงออกมาในรูปของความชื้นสัมพัทธ์
ความชื้นสัมพัทธ์คืออัตราส่วนของความดันย่อยของไอน้ำต่อความดันไออิ่มตัวของน้ำที่อุณหภูมิหนึ่งๆ (ในที่นี้ไอน้ำหมายถึงไอของน้ำ) ความชื้นสัมพัทธ์แสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ โดยมีสูตรทางคณิตศาสตร์ดังนี้:
1. ดูรูปสิ!
ถ้า R 1 , = 6 Ω, R 2 = R 3 = 2 Ω และความต่างศักย์เท่ากับ 14 โวลต์ แล้วขนาดของกระแสไฟฟ้าที่ไหลคือ...
ก. 7 ก.
ข. 6 เอ
ค. 2 ก
ง. 1 ก.
การอภิปราย
การเดือดคือกระบวนการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซ การเดือดเกิดขึ้นเมื่อความดันไออิ่มตัวเท่ากับความดันอากาศภายนอก (ความดันอากาศภายนอก = ความดันบรรยากาศ) ในที่นี้เราจะกล่าวถึงเฉพาะน้ำเดือดเท่านั้น ความดันไออิ่มตัวของน้ำแปรผันตรงกับอุณหภูมิของน้ำ ยิ่งอุณหภูมิของน้ำสูงขึ้น ความดันไออิ่มตัวของน้ำก็จะยิ่งมากขึ้น เมื่อเราให้ความร้อนแก่น้ำ มักจะมีฟองอากาศเล็กๆ ปรากฏขึ้นที่ก้นภาชนะ การมีฟองอากาศแสดงว่ามีการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซ หากความดันไออิ่มตัวในฟองอากาศน้อยกว่าความดันอากาศภายนอก ฟองอากาศจะหดตัวและยุบตัวลงก่อนที่จะถึงผิวน้ำ ฟองอากาศยุบตัวลงเนื่องจากแรงดันของอากาศภายนอกมากกว่าแรงดันของไอน้ำภายในฟองอากาศ ความดันอากาศภายนอกมากกว่าความดันไอในฟองอากาศ ดังนั้นอากาศภายนอกจึงมีแรงมากกว่า (P = F/A)
กระบวนการระเหยสามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีจลน์ เช่นเดียวกับโมเลกุลของแก๊ส โมเลกุลของน้ำก็เคลื่อนที่เช่นกัน ความแตกต่างคือโมเลกุลของน้ำไม่สามารถแยกออกจากกันได้เพราะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลยังคงสามารถยึดเหนี่ยวพวกมันไว้ด้วยกันได้ ในทางตรงกันข้าม แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของแก๊สนั้นอ่อนมาก ดังนั้นโมเลกุลของแก๊สจึงไม่สามารถเกาะติดกันได้ เมื่อเคลื่อนที่ โมเลกุลของน้ำจะมีความเร็ว โมเลกุลของน้ำบางส่วนมีความเร็วสูง ในขณะที่บางส่วนมีความเร็วต่ำ การกระจายความเร็วของโมเลกุลของน้ำนั้นคล้ายกับการกระจายแบบแม็กซ์เวลล์