Kusoma michakato inayofanyika katika mifumo ya takwimu kunachanganyikiwa na ukubwa wa chini wa chembe na idadi yao kubwa. Haiwezekani kuzingatia kila chembe kando, kwa hivyo, idadi ya takwimu huletwa: kasi ya wastani ya chembe, mkusanyiko wao, wingi wa chembe. Fomula inayoangazia hali ya mfumo, kwa kuzingatia vigezo vya hadubini, inaitwa mlingano wa kimsingi wa nadharia ya kimolekuli-kinetiki ya gesi (MKT).
Kidogo kuhusu wastani wa kasi ya chembe
Kubainisha kasi ya chembe kulifanywa kwa majaribio. Jaribio linalojulikana kutoka kwa mtaala wa shule, uliofanywa na Otto Stern, lilifanya iwezekane kuunda wazo la kasi ya chembe. Wakati wa jaribio, mwendo wa atomi za fedha katika mitungi inayozunguka ulichunguzwa: kwanza, katika hali ya kusimama ya usakinishaji, kisha wakati inapozunguka kwa kasi fulani ya angular.
Matokeo yake, ilibainika kuwa kasi ya molekuli za fedha inazidi kasi ya sauti na ni 500 m/s. Ukweli ni wa kuvutia sana, kwani ni vigumu kwa mtu kuhisi kasi kama hiyo ya mwendo wa chembe katika dutu.
gesi bora
Endelea na utafitiInaonekana inawezekana tu katika mfumo ambao vigezo vinaweza kuamua kwa vipimo vya moja kwa moja kwa kutumia vyombo vya kimwili. Kasi hupimwa na kipima mwendo, lakini wazo la kuambatanisha kipima mwendo kwenye chembe moja ni upuuzi. Kigezo kikubwa pekee kinachohusishwa na mwendo wa chembe kinaweza kupimwa moja kwa moja.
Zingatia shinikizo la gesi. Shinikizo kwenye kuta za chombo huundwa na athari za molekuli za gesi kwenye chombo. Upekee wa hali ya gesi ya suala iko katika umbali mkubwa wa kutosha kati ya chembe na mwingiliano wao mdogo na kila mmoja. Hii hukuruhusu kupima shinikizo lake moja kwa moja.
Mfumo wowote wa miili inayotangamana ina sifa ya nishati inayoweza kutokea na nishati ya kinetiki ya mwendo. Gesi halisi ni mfumo mgumu. Utofauti wa nishati inayoweza kutokea haujitoshelezi kwa uwekaji utaratibu. Tatizo linaweza kutatuliwa kwa kuanzisha modeli inayobeba sifa bainifu za gesi, na kuondoa utata wa mwingiliano.
Gesi bora ni hali ya mata ambapo mwingiliano wa chembe haujalishi, nishati inayoweza kutokea ya mwingiliano huwa sufuri. Nishati tu ya mwendo, ambayo inategemea kasi ya chembe, inaweza kuchukuliwa kuwa muhimu.
Shinikizo linalofaa la gesi
Kufichua uhusiano kati ya shinikizo la gesi na kasi ya chembe zake huruhusu mlingano wa kimsingi wa MKT wa gesi bora. Chembe inayotembea kwenye chombo, inapoathiriwa na ukuta, huhamisha msukumo ndani yake, ambayo thamani yake inaweza kuamua kwa misingi ya sheria ya pili. Newton:
F∆t=2m0vx
Mabadiliko katika mwendo wa chembe wakati wa athari nyumbufu huhusishwa na mabadiliko ya kijenzi cha mlalo cha kasi yake. F ni nguvu inayofanya kazi kutoka upande wa chembe kwenye ukuta kwa muda mfupi t; m0 – misa ya chembe.
Chembechembe zote za gesi hugongana na uso wa eneo S wakati wa ∆t, zikisogea kuelekea uso kwa kasi vx na ziko katika silinda ya ujazo Sυ x Δt. Katika mkusanyiko wa chembe n, nusu kamili ya molekuli husogea ukutani, na nusu nyingine husogea upande mwingine.
Baada ya kuzingatia mgongano wa chembe zote, tunaweza kuandika sheria ya Newton kwa nguvu inayofanya kazi kwenye eneo hilo:
F∆t=nm0vx2S∆t
Kwa kuwa shinikizo la gesi linafafanuliwa kama uwiano wa nguvu inayofanya kazi kwa usawa wa uso hadi eneo la mwisho, tunaweza kuandika:
p=F: S=nm0vx2
Uhusiano unaotokana kama mlingano wa msingi wa MKT hauwezi kuelezea mfumo mzima, kwa kuwa ni mwelekeo mmoja tu wa mwendo unaozingatiwa.
Usambazaji wa Maxwell
Migongano ya mara kwa mara ya chembe za gesi na kuta na kwa kila mmoja husababisha kuanzishwa kwa usambazaji fulani wa takwimu wa chembe kulingana na kasi (nishati). Maelekezo ya vekta zote za kasi yanageuka kuwa yanawezekana kwa usawa. Usambazaji huu unaitwa usambazaji wa Maxwell. Mnamo 1860 muundo huu ulikuwainayotokana na J. Maxwell kwa misingi ya MKT. Vigezo kuu vya sheria ya usambazaji huitwa kasi: inayowezekana, inayolingana na thamani ya juu ya curve, na mizizi-maana-mraba vkv=√‹v2 › - wastani wa mraba wa kasi ya chembe.
Ongezeko la halijoto ya gesi hulingana na ongezeko la kasi.
Kulingana na ukweli kwamba kasi zote ni sawa, na moduli zake zina thamani sawa, tunaweza kudhani:
‹v2›=‹vx2› + ‹v y2› + ‹vz2›, kutoka: ‹ vx2›=‹v2›: 3
Mlinganyo wa kimsingi wa MKT, kwa kuzingatia thamani ya wastani ya shinikizo la gesi, ni:
p=nm0‹v2›: 3.
Uhusiano huu ni wa kipekee kwa kuwa huamua uhusiano kati ya vigezo vya hadubini: kasi, wingi wa chembe, ukolezi wa chembe na shinikizo la gesi kwa ujumla.
Kwa kutumia dhana ya nishati ya kinetiki ya chembe, mlingano wa kimsingi wa MKT unaweza kuandikwa upya kwa njia tofauti:
p=2nm0‹v2›: 6=2n‹Ek›: 3
Shinikizo la gesi linalingana na wastani wa thamani ya nishati ya kinetiki ya chembe zake.
Joto
Cha kufurahisha, kwa kiasi kisichobadilika cha gesi kwenye chombo kilichofungwa, mtu anaweza kuhusisha shinikizo la gesi na thamani ya wastani ya nishati ya mwendo wa chembe. Katika kesi hii, shinikizo linaweza kupimwa kwa kupima nishatichembe.
Nini cha kufanya? Ni thamani gani inayoweza kulinganishwa na nishati ya kinetic? Halijoto inageuka kuwa thamani kama hiyo.
Joto ni kipimo cha hali ya joto ya dutu. Ili kuipima, thermometer hutumiwa, msingi ambao ni upanuzi wa joto wa maji ya kazi (pombe, zebaki) inapokanzwa. Kiwango cha thermometer kinaundwa kwa majaribio. Kawaida, alama huwekwa juu yake sambamba na msimamo wa giligili ya kufanya kazi wakati wa mchakato fulani wa mwili unaotokea kwa hali ya joto ya kila wakati (maji yanayochemka, barafu inayoyeyuka). Vipimajoto tofauti vina mizani tofauti. Kwa mfano, Celsius, Fahrenheit.
Mizani ya halijoto ya jumla
Vipimajoto vya gesi vinaweza kuchukuliwa kuwa vya kuvutia zaidi katika suala la kutojitegemea kutoka kwa sifa za kigiligili kinachofanya kazi. Kiwango chao haitegemei aina ya gesi inayotumiwa. Katika kifaa kama hicho, mtu anaweza kutofautisha kwa dhahania hali ya joto ambayo shinikizo la gesi huwa sifuri. Hesabu zinaonyesha kuwa thamani hii inalingana na -273.15 oC. Kiwango cha halijoto (kiwango kamili cha joto au kipimo cha Kelvin) kilianzishwa mnamo 1848. Joto linalowezekana la shinikizo la gesi sifuri lilichukuliwa kama hatua kuu ya kiwango hiki. Sehemu ya kitengo cha kipimo ni sawa na thamani ya kitengo cha kipimo cha Celsius. Inaonekana rahisi zaidi kuandika mlinganyo wa msingi wa MKT kwa kutumia halijoto wakati wa kusoma michakato ya gesi.
Uhusiano kati ya shinikizo na halijoto
Kwa hakika, unaweza kuthibitisha hilouwiano wa shinikizo la gesi kwa joto lake. Wakati huo huo, iligundulika kuwa shinikizo linalingana moja kwa moja na mkusanyiko wa chembe:
P=nkT,
ambapo T ni halijoto kamili, k ni sawa na 1.38•10-23J/K.
Thamani ya msingi, ambayo ina thamani ya kudumu kwa gesi zote, inaitwa Boltzmann constant.
Ikilinganisha utegemezi wa shinikizo kwenye halijoto na mlingano wa kimsingi wa gesi za MKT, tunaweza kuandika:
‹Ek›=3kT: 2
Thamani ya wastani ya nishati ya kinetiki ya mwendo wa molekuli za gesi inalingana na halijoto yake. Hiyo ni, halijoto inaweza kutumika kama kipimo cha nishati ya kinetiki ya mwendo wa chembe.
