2010年2月14日 星期日

量化的分子動力模型The Quantitative Kinetic Molecular Model(七)~1

化學原理啟迪83


徐弘毅:


1.      冬天,吃紅豆湯是最好的,尤其是對女性朋友來說,是非常補血的甜點。不過,紅豆非常不容易煮軟,所以,預先泡好的紅豆,放在壓力鍋裡面燉煮會比較快熟。


2.      壓力鍋跟一般鍋子的差別就是,一般鍋子的鍋蓋與鍋身沒有那麼密閉合身,所以煮沸以後的紅豆,縱使整鍋放到保溫箱裡,短時間溫度不流失,但是鍋子的壓力還是會流失。


3.      壓力鍋就不一樣了,鍋蓋跟鍋子密合得很好,煮沸以後放進保溫箱,短時間,不但溫度不流失,壓力也維持高壓狀態。


4.      所以,同樣兩鍋大小的紅豆,一個是普通鍋,另一個是壓力鍋,加到一樣的溫度再放進保溫箱,隔15分鐘打開來看,會發現普通鍋的紅豆,沒有壓力鍋的紅豆那麼熟軟。


5.      顯然,壓力鍋的「水分子」撞擊紅豆的力量比較強,紅豆組織結構被破壞得比較厲害,這應該是因為壓力鍋的粒子(水分子)動能比較強。


6.      這就是上一篇推論的公式「PV/n=2/3(KE)avg」的道理,在一個容器裡,有很多氣體粒子,「壓力」愈大,粒子們在容器裡的「平均動能」愈強。


7.      我的阿婆活著的時候常抱怨,「鍋子太小肉煮不爛」,我自己沒有實驗過,不過,假如她說的是真的,到底是什麼原因呢?


8.      假如兩個鍋子都是普通鍋子,加進去的水和肉是一樣多,但是一個鍋子大,另一個鍋子小;煮的時候,瓦斯開一樣大,溫度差不多,水一樣多,代表水分子的數量一樣。


9.      在以上條件都一樣的情況下,大鍋子的水跟小鍋子的壓力一樣,因此,平均每分鐘水分子碰撞鍋子跟肉塊的次數(壓力),要跟小鍋子裡的水分子的次數(壓力)一樣多,但是,大鍋子的活動空間比較大,所以,水分子的移動速度必須更快才行。


10.  這就好像,有一個人在比較靠牆壁的位置練習短打,另一個人在離牆壁很的位置抽球;如果二個人打的球,每分鐘碰撞牆壁的次數是一樣的,那麼,在比較遠的位置的那個人,打的球速一定要很才行。


11.  這可能就是為什麼,當水的份量一樣多,瓦斯也一樣的時候,鍋子大肉比較容易爛。這也是上一篇推論的公式「PV/n=2/3(KE)avg」的道理。


12.  接下來我們要問一個問題,如果煮紅豆的時候,瓦斯火不斷加大,讓溫度上升,紅豆會不會也更容易煮軟呢?這是廢話,大家都知道瓦斯火愈大,愈容易把紅豆煮軟。雖然經驗是這樣,但是道理到底是什麼呢?


13.  瓦斯的火愈大,熱能傳導到水分子身上愈多,水分子的「動能」就愈強,移動速度愈快,碰撞紅豆的次數就愈多,紅豆組織被水分子破壞得愈快,就軟爛得愈快。


Steven S. Zumdahl 《化學原理Chemical Principles


1.      分子動力理論的第四個定理,氣體樣本的粒子,它們的平均動能直接與絕對溫標正比,也就是「動能愈大,溫度愈高;動能愈小,溫度愈小」。因為(KE)avg  T,我們可以寫成:


PV/n=2/3(KE)avg  T PV/n  T


特別注意這個寫法來自於分子動力理論的假設。


2.      分子動力理論推理出的公式,跟實驗獲得的公式相比,結果會如何呢?


3.      透過實驗得到的理想氣體定律:


PV/n=RT


4.      透過分子動力理論推理出的公式:


PV/n  T


5.      只要把第二個公式的等比關係,換成氣體常數R,就會發現這兩個公式其實完全一樣。


6.      理想氣體定律和分子動力理論契合,使我們相信這個模型是合理的。我們所設定的理想氣體粒子特徵,在某種條件下,應該十分符合它們的真實行為。

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