2010年2月9日 星期二

量化的分子動力模型The Quantitative Kinetic Molecular Model(二)

化學原理啟迪76


徐弘毅:


1.      用油鍋爆米花的時候,可以很清楚感覺到玉米爆開彈上鍋蓋的力量,為了不讓鍋蓋被彈開,通常會用手用力壓一下鍋蓋,隨著油愈來愈熱,瞬間爆開的玉米愈來愈多,壓鍋蓋的力氣就得愈來愈大。


2.      同樣的道理,在正方體容器裡的每顆氣體粒子,撞擊容器牆壁的「頻率」愈高,那麼整個容器牆壁承受的壓力就愈大,就像突然之間玉米紛紛爆開,不斷撞擊鍋蓋的感覺一樣。


3.      在容器裡的粒子的撞擊牆壁頻率,其實跟它移動的「速率」和「距離」有關。「速率」的問題,就好像一個人練習折返跑,如果他跑的速度很快,每分鐘折返的次數就可以多一些。


4.      距離」的問題,這就好像一個人體力有限,練習折返跑的時候,如果距離比較短,那就可以多折返幾次,如果距離比較長,折返的次數就會少一些。比較像


5.      小學體育不好的人都有經驗,躲避球「速度愈快」(加速度),就會被K得愈痛,顯然粒子的「速度」是會影響撞擊容器牆壁的力量。


6.      另外,體育老師也經常警告,看到別人在丟鉛球的時候,千萬不要走過去,被砸中頭,人生就完蛋了,這是因為鉛球的重量,造成可怕的殺傷力。所以,氣體粒子的「質量」影會影響撞擊容器牆壁的力量。


7.      氣壓(壓力),就是容器牆壁整體承受氣體分子撞擊的力量。所以,凡是會影響氣體粒子力量的因素,我們都要分析清楚,才能找到氣體粒子運動跟氣壓的關係。


以下是Steven S. Zumdahl 《化學原理Chemical Principles的推論:


1.      接下來的問題是,一個粒子碰撞的力量到底有多大 力」的定義是「質量」×加速度」(每單位時間的改變速率)


F=ma=m(Δu/Δt)


在這裡,m代表力量,a代表加速度,Δu代表速率的改變,Δt代表某一段時間。


注:粒子原本的活動,碰撞到壁面必須停止,這就形成一種加速度,也就是Δu


2.      我們假設粒子的質量是恆定的,所以,公式可以寫成:


F= mΔu/Δt=Δ(mu)/ Δt


3.      「質量」×「速率」的量the quantity mu就是一個粒子的「動能momentum(動能是「質量」和「速率」互動的結果);方程式F=Δ(mu)/Δt意思是,「力」就是「每單位時間的動能的改變量」(意思接近,每秒車速改變量)。


4.      當一個粒子撞到「與x軸垂直的牆面」,如上圖,就會反彈回去,產生跟原本x方向相反的運動。


5.      也就是,當粒子撞上其中一面牆,ux的「+、-」號就會改變(因為第一面牆的方向如果是「+ 正號」,那第二面牆的方向就要用「負號」)。所以,「最終的動能」跟「最初動能」的「+、-」符號會相反。


6.      特別注意,彈性碰撞的意思是,速率的強度不會有任何改變。所以,X方向粒子彈性碰撞一次的動能變化是:


動能變化change in momentum


=Δ(mux)


=  最終動能    初始動能


=    mux         mux


X方向的最終動能  X方向的初始動能


=–2mux


7.      我們有興趣的地方是,氣體粒子施加在立方體壁面上的力量。因為我們知道每一次粒子碰撞壁面的運動,都會產生「力量一樣」但是「方向相反」的反應動作,所以,粒子每次撞擊壁面的動能變化是–(–2mux),或2mux

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