-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 4. Ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêàÿ òåîðèÿ èäåàëüíîãî ãàçà § 4.4. Îñíîâíîå óðàâíåíèå ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêîé òåîðèè
Ïóñòü ãàç íàõîäèòñÿ â ïðÿìîóãîëüíîì ñîñóäå ñ òâåðäûìè ñòåíêàìè. Ãàç è ñîñóä èìåþò îäèíàêîâûå òåìïåðàòóðû, ò. å. íàõîäÿòñÿ â ñîñòîÿíèè òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ. Áóäåì ñ÷èòàòü ñòîëêíîâåíèÿ ìîëåêóë ñî ñòåíêàìè àáñîëþòíî óïðóãèìè. Ïðè ýòîì óñëîâèè êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ìîëåêóë â ðåçóëüòàòå ñòîëêíîâåíèÿ íå ìåíÿåòñÿ. Òðåáîâàíèå òîãî, ÷òîáû ñòîëêíîâåíèÿ áûëè àáñîëþòíî óïðóãèìè, íå ÿâëÿåòñÿ ñòðîãî îáÿçàòåëüíûì.  òî÷íîñòè îíî è íå ðåàëèçóåòñÿ. Ìîëåêóëû ìîãóò îòðàæàòüñÿ îò ñòåíêè ïîä ðàçíûìè óãëàìè è ñî ñêîðîñòÿìè, íå ðàâíûìè ïî ìîäóëþ ñêîðîñòÿì äî ñîóäàðåíèÿ. Íî â ñðåäíåì êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ îòðàæåííûõ ñòåíêîé ìîëåêóë áóäåò ðàâíà êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ïàäàþùèõ ìîëåêóë, åñëè òîëüêî ñóùåñòâóåò òåïëîâîå ðàâíîâåñèå. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà íå çàâèñÿò îò äåòàëüíîé êàðòèíû ñòîëêíîâåíèé ìîëåêóë ñî ñòåíêîé. Ïîýòîìó âïîëíå äîïóñòèìî ñ÷èòàòü ñòîëêíîâåíèÿ ìîëåêóë ïîäîáíûìè ñòîëêíîâåíèÿì óïðóãèõ øàðîâ ñ àáñîëþòíî ãëàäêîé òâåðäîé ñòåíêîé. Âû÷èñëèì äàâëåíèå ãàçà íà ñòåíêó ñîñóäà CD, èìåþùóþ ïëîùàäü S è ðàñïîëîæåííóþ ïåðïåíäèêóëÿðíî îñè X (ðèñ. 4.3).
Ïóñòü ñêîðîñòü
Îáúÿñíÿåòñÿ ýòî òåì, ÷òî ïðè àáñîëþòíî óïðóãîì óäàðå îòñóòñòâóþò ñèëû, ïàðàëëåëüíûå ñòåíêå. Èçìåíåíèå ïðîåêöèé èìïóëüñà ìîëåêóëû íà îñü X ðàâíî
ãäå m0 — ìàññà ìîëåêóëû. Ñîãëàñíî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà ñòåíêå ñîñóäà ìîëåêóëîé áóäåò ïåðåäàí èìïóëüñ 2m0υix. Ñëåäîâàòåëüíî, â ñîîòâåòñòâèè ñî âòîðûì çàêîíîì Íüþòîíà íà ñòåíêó çà âðåìÿ óäàðà ïîäåéñòâóåò èìïóëüñ ñèëû 2m0υix, íàïðàâëåííûé ïåðïåíäèêóëÿðíî ñòåíêå. ×èñëî ñîóäàðåíèé ñî ñòåíêîé ìîëåêóë, ñêîðîñòè êîòîðûõ áëèçêè ê υixÇà âðåìÿ Δt ñòåíêè ìîãóò äîñòè÷ü ëèøü ìîëåêóëû ñî ñêîðîñòÿìè υix > 0, êîòîðûå íàõîäÿòñÿ îò íåå íà ðàññòîÿíèè, íå ïðåâûøàþùåì υixΔt (ðèñ. 4.5). Ýòè ìîëåêóëû äâèæóòñÿ ñëåâà íàïðàâî. Ìîëåêóëû, íàõîäÿùèåñÿ íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ, íå óñïåþò äîëåòåòü äî ñòåíêè*. * Çàìåòèì, ÷òî ñòîëêíîâåíèÿ ìîëåêóë äðóã ñ äðóãîì íå âëèÿþò íà ÷èñëî èõ ñòîëêíîâåíèé ñî ñòåíêîé. Åñëè êàêàÿ-ëèáî ìîëåêóëà, ó êîòîðîé υix > 0, èç-çà ñòîëêíîâåíèé íå ñìîæåò äîñòèãíóòü ñòåíêè, òî åå ìåñòî çàéìåò êàêàÿ-òî äðóãàÿ ìîëåêóëà. Äàâëåíèå îïðåäåëÿåòñÿ ñðåäíèì ÷èñëîì ìîëåêóë ñ ðàçëè÷íûìè ñêîðîñòÿìè, êîòîðîå íå ìåíÿåòñÿ â ñîñòîÿíèè òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ ïðè ñòîëêíîâåíèÿõ. Íå íàäî äóìàòü, ÷òî çíà÷åíèÿ ïðîåêöèé ñêîðîñòåé υiy è υiz êàê-òî âëèÿþò íà äîñòèæåíèå ìîëåêóëàìè ñòåíêè CD. Åñëè ìîëåêóëà ñòîëêíåòñÿ ñî ñòåíêîé ÂÑ èëè À (ñì. ðèñ. 4.5), òî ïðîåêöèÿ ñêîðîñòè υix ïðè ýòîì íå èçìåíèòñÿ è ìîëåêóëà ñìåñòèòñÿ âäîëü îñè X ïî-ïðåæíåìó íà îòðåçîê υixΔt.
Âûäåëåííûé îáúåì CC'DD' ðàâåí υixΔtS. ×èñëî ìîëåêóë â ýòîì îáúåìå ñî ñêîðîñòÿìè, áëèçêèìè ê υix, ñîñòàâëÿåò Δzi = niυixΔtS, (4.4.2) ãäå ni — ÷èñëî ìîëåêóë ñî ñêîðîñòÿìè, áëèçêèìè ê υix > 0, â 1 ñì3. Èìïóëüñ, ïåðåäàííûé ñòåíêå ìîëåêóëàìè ñî ñêîðîñòÿìè υix > 0Ïåðåäàííûé ìîëåêóëàìè (èõ ÷èñëî ðàâíî Δzi) èìïóëüñ ðàâåí ïðîèçâåäåíèþ Δzi íà èìïóëüñ, ïåðåäàííûé îäíîé ìîëåêóëîé (îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå (4.4.1)):
|
|
|