Как найти среднюю кинетическую энергию одноатомного газа

Оцените решебник:

Уравнение состояния идеального газа в форме (p=frac 13nm_0overline {v^2}) или (p=frac 23noverline E) может быть обосновано и методами кинетической теории газов. На основе кинетического подхода сравнительно просто выводится выражение для давления идеального газа в сосуде, которое получается как результат усреднения импульсов молекул, передаваемых стенке сосуда при многочисленных соударениях молекул со стенкой. Величина получаемого при этом давления определяется как

(p=frac 13nmbig (v^2big)),

где (v^2) – среднее значение квадрата скорости молекул, (m) – масса молекулы.

Средняя кинетическая энергия молекул газа (в расчете на одну молекулу) определяется выражением

(E_k=frac 12mbig (v^2big)).

Кинетическая энергия поступательного движения атомов и молекул, усредненная по огромному числу беспорядочно движущихся частиц, является мерилом того, что называется температурой. Если температура T измеряется в градусах Кельвина (К), то связь ее с (E_k) дается соотношением

(E_k=frac 32 kT).

Это соотношение позволяет, в частности, придать более отчетливый физический смысл постоянной Больцмана (k = 1,38·10^{–23}) Дж/K, которая фактически является переводным коэффициентом, определяющим, какая часть джоуля содержится в градусе.

Используя (6) и (7), находим, что (frac 13m v^2 = kT). Подстановка этого соотношения в формулу для энергии приводит к уравнению состояния идеального газа в форме

(p = nkT,) которое уже было получено из уравнения Клапейрона – Менделеева.

Также из уравнений можно определить значение среднеквадратичной скорости молекул:

((v)_{ке}=sqrt{(v^2)}=big (frac {3kT}{m}big )^{frac 12}=big (frac{3RT}Mbig )^{frac 12}).

Расчеты по этой формуле при (T = 273) K дают для молекулярного водорода (v_{кв} = 1838 ) м/с, для азота – (493 ) м/с, для кислорода – (461) м/с и т. д.

Напомним, что газообразное состояние возникает тогда, когда энергия теплового движения молекул вещества превышает энергию их взаимодействия. Молекулы вещества в этом состоянии приобретают прямолинейное поступательное движение, а индивидуальные свойства веществ теряются, и они подчиняются общим для всех газов законам. Газообразные тела не имеют собственной формы и легко изменяют свой объем при воздействии внешних сил или при изменении температуры.

1. Плотность идеального газа в сосуде – (1,2) кг/м(^3). Если средняя квадратичная скорость молекул газа равна (500) м/с, то газ находится под давлением

2. Давление кислорода и водорода при одинаковых концентрациях молекул и равных средних квадратичных скоростях их движения находятся в соотношении (М((O_2)) (= 0,032) кг/моль; М((H_2)) (= 0,002) кг/моль)

3. В вакуумном диоде электроны ускоряются до энергии (140) эВ. Их минимальная скорость у анода лампы равна

   (e (= 1,6 ⋅ 10^{-19}) Кл; (m_e) (= 9 ⋅ 10^{-31}) кг; (1) эВ (= 1,6 ⋅ 10^{-19})Дж)

4. Объем одноатомного газа уменьшили в (2) раза, а среднюю кинетическую энергию молекул увеличили в (3) раза. Определите изменение давления.

5. Найдите среднюю кинетическую энергию атома аргона, если температура газа равна (117^{circ}C) ((k = 1,38 ⋅ 10^{-23})(frac{Дж}{К})).

6. Чему равна энергия покоя электрона? ((c = 3 ⋅ 10^8)м/с; (m = 9,1 ⋅ 10^{-31})кг)

7. Во сколько раз отличаются средние квадратичные скорости молекул диоксида серы и гелия при одинаковой температуре?

   (M(_{SO_2}) (= 64 ⋅ 10^{-3})(frac{кг}{моль}); M(_{He}) (= 4 ⋅ 10^{-3})(frac{кг}{моль}))

8. Во сколько раз изменится среднеквадратичная скорость движения частиц одноатомного идеального газа (υ), если, не меняя его плотности, увеличить давление в (9) раз?

9. Среднеквадратичная скорость молекул идеального одноатомного газа, заполняющего закрытый сосуд, равна (0,25) км/с. Газ охладили, уменьшив при этом давление на (19%). Как и на сколько изменилась среднеквадратичная скорость молекул этого газа?

10. Одноатомный газ находится при давлении в (400) кПа. Чему будет равна средняя кинетическая энергия молекул этого газа, если в (1) м(^3) содержится примерно (2·10^{27}) молекул?

11. Маленькая частичка массой (19,2cdot10^{-12}) кг находится в воздухе. Во сколько раз ее средняя квадратичная скорость будет отличаться от средней квадратичной скорости движения молекул воздуха? (Молярная масса воздуха – (0,029) кг/моль)

12. Вычислите среднюю квадратичную скорость молекул газа, находящегося под давлением (10) кПа, если его масса равна (3) кг, объем – (16) м(^3).

13. Можно ли получить температуру ниже или равную абсолютному нулю?

14. При нагревании ртуть в градуснике расширилась. Что это означает?

15. Найдите давление углекислого газа в сосуде, если концентрация его молекул равна (2,7 · 10^{20}) м(^{–3}), а среднее значение квадрата их скорости – (3 · 10^4) м(^2)/с(^2). (Масса молекулы углекислого газа равна (7,3 · 10^{–26}) кг)

Дано:

Т=290К

р=0,8*10^6Па

k=1,38*10^-23Джк

найти:(Е) и n.

                                   Решение:

Основное ур-ние молекулярно-кинетической теории газов

 p=13n*m0*(Vкв)^2

где   (Vкв)^2-средняя квадратичная скорость молекул,  n-концентрация молекул,  m0-масс одной молекулы.

p=23n*(m0* (Vкв)^22) =23n* (Е),

где   (Е)-средняя кинетическая энегрия движения молекул.Отсюда 

  (Е)=23*pn    (1)

другая формула для определениядавления газа 

p=n*k*T    (2)

 где к-постаянная Больцмана,Т-абсалютная температура газа

определим из ур-ия 2 концентрацию молекул газа:

n=pk*T 

 n=0,8*10^61,38^-23*290 приблизительно равно 2*10^26(1м^3)

подставляя в ур-е 1 найденное значение,находим среднюю кинетическую энергию движения молекул:

(E)=32*0,8*10^62*10^26=0,6*10^-20 (Дж)