Как найти среднюю скорость молекул: решение задачи
Дано: кислород, молярная масса г/моль, температура °C. Найти: среднюю скорость молекул , а также среднеквадратичную и наиболее вероятную .
Средняя скорость теплового движения считается по формуле : температуру переводят в кельвины, молярную массу в килограммы на моль и подставляют. Ответ: м/с, м/с, м/с.
Калькулятор сверху пересчитывает все три скорости под любой газ и любую температуру, а на графике видно, как они растут по закону корня из . Ниже тот же ответ получен вручную.
Решение по шагам
Дано.
| Величина | Обозначение | Значение |
|---|---|---|
| Газ | кислород | |
| Молярная масса | 32 г/моль кг/моль | |
| Температура | 27 °C | |
| Газовая постоянная | Дж/(моль·К) |
Найти: , , .
Шаг 1. Переводим данные в СИ. Температура в формулах молекулярно-кинетической теории всегда абсолютная:
Перевод молярной массы важнее, чем кажется: именно на нём теряется множитель 1000, а вместе с ним и порядок ответа.
Шаг 2. Считаем общий множитель. У всех трёх скоростей под корнем стоит одна и та же комбинация , поэтому её удобно вычислить один раз:
Размерность подсказывает, что дальше всё верно: под корнем квадрат скорости, значит после извлечения корня получатся метры в секунду.
Шаг 3. Средняя скорость. Подставляем множитель в формулу средней арифметической скорости:
Шаг 4. Среднеквадратичная скорость. Здесь коэффициент равен трём:
Шаг 5. Наиболее вероятная скорость. Коэффициент равен двум:
Шаг 6. Проверяем порядок величин. Три скорости обязаны выстроиться в фиксированном порядке с одними и теми же отношениями:
Проверка: и - совпадает с найденными числами с точностью до округления. Если у вас средняя скорость оказалась больше среднеквадратичной, перепутаны коэффициенты.
Ответ: м/с, м/с, м/с.
Формула средней скорости и что в ней стоит
Формула записывается в двух эквивалентных видах, и путаница между ними даёт больше всего неверных ответов:
В первой форме Дж/(моль·К) - универсальная газовая постоянная, - молярная масса в килограммах на моль. Во второй Дж/К - постоянная Больцмана, - масса одной молекулы в килограммах. Формы переходят друг в друга, потому что и : число Авогадро сокращается. Смешивать их нельзя - работает только с молярной массой, только с массой одной молекулы.
Сама формула получается усреднением модуля скорости по распределению Максвелла, то есть как первый момент этого распределения. Вывод интеграла и вид функции разобраны отдельно в статье про распределение Максвелла-Больцмана по скоростям; для решения задачи достаточно готового коэффициента .
Обратите внимание: скорость зависит только от температуры и сорта газа. Ни давление, ни объём, ни количество вещества в формулу не входят.
Три скорости: какую и когда брать
Три характерные скорости описывают одно и то же распределение, но отвечают на разные вопросы, и в условии задачи нужно поймать, какая из них требуется.
- Наиболее вероятная - положение максимума кривой распределения, скорость самой многочисленной группы молекул. Про неё подробно написано в разборе наиболее вероятной скорости молекул газа.
- Средняя арифметическая - среднее модулей скорости всех молекул. Именно она входит в расчёты переноса: длину свободного пробега, число столкновений, диффузию и коэффициент теплопроводности газа.
- Среднеквадратичная - корень из среднего квадрата скорости. Она связана с энергией: , поэтому в задачах на среднюю кинетическую энергию молекул фигурирует именно она.
Если в условии сказано просто «скорость молекул» без уточнения, по умолчанию имеют в виду среднеквадратичную в энергетических задачах и среднюю арифметическую в задачах на явления переноса. Разница между ними всего 8 процентов, но в контрольной её обычно спрашивают явно.
Если даны не температура и молярная масса
Данные в условии часто подменяют, а метод остаётся прежним: нужно любым способом добраться до комбинации .
Даны давление и плотность. Из уравнения состояния следует , откуда . Для воздуха при кПа и кг/м³:
Температура здесь не нужна вовсе: она уже спрятана в паре «давление плюс плотность».
Дана масса одной молекулы. Переходите к форме с постоянной Больцмана либо восстановите молярную массу как .
Нужно найти температуру по скорости. Формулу разворачивают: . Для азота ( кг/моль) со средней скоростью 500 м/с получаем К, то есть около 58 °C.
Меняются температура или газ. Скорость пропорциональна , поэтому отношения считаются без полного пересчёта. Нагрев газа вчетверо удваивает скорость: тот же кислород при 1200 К даёт 890 м/с. Водород легче кислорода в 16 раз, значит его молекулы при 300 К быстрее ровно в раза - 1782 м/с. Именно поэтому лёгкие газы улетучиваются из атмосферы, а тяжёлые остаются.
Частые ошибки
- Молярную массу оставляют в граммах на моль. Подстановка 32 вместо 0,032 занижает знаменатель в тысячу раз, и ответ выходит меньше истинного в раза: вместо 445 м/с получается около 14 м/с.
- Температуру подставляют в градусах Цельсия. Для 27 °C ошибка чудовищна: 27 вместо 300 занижает скорость почти в 3,3 раза. Правило простое: в любой формуле МКТ температура только в кельвинах.
- Путают коэффициенты 2, и 3. Запоминайте по возрастанию: наименьшая скорость наиболее вероятная (двойка), средняя посередине (), наибольшая среднеквадратичная (тройка).
- Смешивают с массой молекулы, а с молярной массой. Такая подстановка даёт ответ, отличающийся на множитель порядка - по абсурдному числу ошибка видна сразу.
- Считают, что скорость зависит от давления. При изотермическом сжатии газ становится плотнее, чаще сталкивается, но средняя скорость молекул не меняется: она определяется только температурой и молярной массой. Полезный контрпример есть в разборе работы изотермического процесса.
- Забывают, что усредняется модуль. Среднее векторной скорости в покоящемся газе равно нулю: молекулы летят во все стороны одинаково часто. Ненулевой ответ даёт только среднее от .
FAQ
Чем средняя скорость отличается от среднеквадратичной? Средняя арифметическая - это сумма модулей скоростей, делённая на число молекул. Среднеквадратичная - корень из среднего значения квадрата скорости. Возведение в квадрат даёт больший вес быстрым молекулам, поэтому всегда больше: их отношение равно , то есть примерно 8 процентов.
Зависит ли средняя скорость молекул от давления? Нет. В формулу входят только температура и молярная масса. Если сжать газ при постоянной температуре, вырастут давление и число столкновений, но распределение по скоростям останется прежним. Косвенная зависимость появляется лишь тогда, когда сжатие меняет температуру, как при адиабатном процессе.
Как посчитать среднюю скорость через постоянную Больцмана? По формуле , где . Для кислорода кг, и результат получается тот же - 445 м/с.
Почему запах распространяется медленно, если молекулы летят со скоростью 445 м/с? Потому что молекула движется не по прямой: при нормальных условиях она испытывает миллиарды столкновений в секунду и продвигается зигзагом. Скорость направленного переноса задаётся диффузией и оказывается на несколько порядков меньше тепловой скорости.
Коротко
- Переведите данные в СИ: в кельвинах, в килограммах на моль (32 г/моль кг/моль).
- Посчитайте общий множитель м²/с².
- Умножьте его на нужный коэффициент и извлеките корень: для средней, 3 для среднеквадратичной, 2 для наиболее вероятной.
- Для кислорода при 27 °C получается м/с, м/с, м/с.
- Проверьте ответ по неизменному отношению и по тому, что скорость растёт как и падает как .
Похожие задачи
Как найти теплоёмкость газа: Cv, Cp и показатель адиабаты
Как найти теплоёмкость газа: пошаговый расчёт молярных Cv и Cp для 320 г кислорода, удельные теплоёмкости, показатель адиабаты 1,4 и количество теплоты при нагреве на 100 К.
Физика (механика/термо)Как найти работу изотермического процесса: решение
Как найти работу изотермического процесса идеального газа: формула через логарифм отношения объёмов, пошаговый расчёт с числами, связь работы и теплоты, проверка ответа и частые ошибки.
Физика (механика/термо)Как найти импульс системы тел: решение по шагам
Как найти импульс системы тел: векторная сумма импульсов, проекции на оси, модуль и направление вектора, связь со скоростью центра масс и пошаговый расчёт с калькулятором.
Физика (механика/термо)Как найти фазу колебаний: начальная и полная фаза
Как найти фазу колебаний: начальная фаза по смещению и знаку скорости, полная фаза в нужный момент времени, чтение фазы по графику и разность фаз двух колебаний одной частоты.
Физика (механика/термо)Как найти работу адиабатного процесса: решение
Как найти работу адиабатного процесса: расчёт для 2 моль азота при расширении от 5 до 15 л, формула через разность pV и показатель адиабаты, сравнение с изотермой.
Физика (механика/термо)Как применить первое начало термодинамики: решение
Как применить первое начало термодинамики к задаче: два моля азота, изобарный нагрев и изохорное охлаждение, расчёт Q, внутренней энергии и работы газа, таблица изопроцессов.