溫度的意義(二)

化學原理啟迪86

徐弘毅：

1.      V體積：每顆粒子的活動範圍；這個活動範圍就是裝著粒子的容器，容器有明確的牆壁，有長、寬、高限制，所以，粒子的空間與時間是有限的。

2.      氣體的「體積」為什麼會影響「壓力」？

3.      假設在容器裡直線移動的氣體粒子，它們的質量、移動速率、總數量都是固定不變的，容器的溫度也是固定不變。

4.      容器的體積愈大，粒子在二面牆壁之間的「距離」愈遠，撞擊牆壁的「頻率」愈低，氣體「壓力」愈小；相反地，容器的「體積」愈小，粒子在二面牆壁之間的「距離」愈近，撞擊牆壁的「頻率」愈高，氣體壓力愈大。

5.      換一個解釋的角度，「壓力」，就是整個容器牆壁一起承擔氣體粒子撞擊的力量；如果氣體粒子撞擊牆壁的「力量」是固定不變的，但是容器「體積」愈大，代表一起分擔撞擊力量的牆壁「總面積」愈大，那麼，牆壁平均每單位面積分配到的「力量」就變小。

6.      相反地，氣體粒子撞擊牆壁的「力量」固定不變，但是，容器的「體積」愈小，代表一起分擔撞擊的牆壁「總面積」愈小，那麼，牆壁平均每單位面積分配到的「力量」就變大。

7.      T溫度：「溫度」是熱能的一種指標，溫度升高會讓氣體粒子變活潑（得到熱能），溫度降低會讓氣體粒子活動力下降（失去熱能）。溫度的指標是「絕對溫標 K」。

8.      粒子的直線運動，應該是像子彈那樣，朝單一方向旋轉前進；加入熱能會讓粒子自旋的速度加快，也因此前進的速率加快。因此，「溫度」升高會讓粒子的「動能」增加，「溫度」下降會使粒子「動能」下降。

9.      如果容器的體積固定不變，溫度升高，粒子的「動能」增加，代表1.每一次撞擊容器牆壁的「力量」變強，或者2.撞擊牆壁的「頻率」增加，結果就是，「壓力」變大；相反地，溫度降低，粒子的「動能」減少，壓力變小。

10.  如果容器的材質有彈性，像氣球那樣，在內外「壓力」固定不變的情況下，溫度升高，粒子的「動能」增加，粒子撞擊的「力量」變強，就會推開容器的牆壁，讓容器體積加大（注）。

注：換個角度來看，容器體積變大，容器牆壁分擔粒子撞擊的面積變大，壓力就能減輕，這是為什麼只要體積可以變大、變小，壓力也能維持固定。

11.  相反地，同樣是有彈性的容器材質，溫度下降，粒子的「動能」減少，粒子撞擊牆壁的力量變弱，體積就會變小。

12.  我們知道溫度會影響體積、也會影響壓力，到底升高1K或減少1K會影響多少呢？比例關係是什麼呢？

13.  經過實驗得到的「常數」，就是把溫度換算成「壓力」或「體積」的比例數值；「常數R」就好像台幣兌美元的「匯率」一樣。

14.  R常數：R＝0.08206 L atm K¯¹ mol¯¹，翻譯成白話就是「1莫耳粒子每升高1K，造成體積(L)和壓力(atm)的變化幅度是0.08206」。

15.  所以，PV/n＝RT 每莫耳的（「壓力」×「體積」）＝「常數」×「溫度」

16.  n莫耳數：一個容器裡氣體粒子的數量單位。1莫耳=6×10²³個粒子。