( ) ( ) on nimeltään molekyylisironnan mikroskooppinen vaikutusala). Sijoittamalla numeroarvot saadaan vapaaksi matkaksi

Samankaltaiset tiedostot
Vauhti = nopeuden itseisarvo. Nopeuden itseisarvon keskiarvo N:lle hiukkaselle määritellään yhtälöllä

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Oletetaan kaasu ideaalikaasuksi ja sovelletaan Daltonin lakia. Kumpikin seoksen kaasu toteuttaa erikseen ideaalikaasun tilanyhtälön:

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

Luento 7: Atomien ja molekyylien väliset voimat ja kineettinen kaasuteoria

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

ν = S Fysiikka III (ES) Tentti Ratkaisut

Tällaisessa tapauksessa on usein luontevaa samaistaa (u,v)-taso (x,y)-tason kanssa, jolloin tason parametriesitys on *** VEKTORIANALYYSI.

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti (esimerkki)

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Diplomi-insino o rien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2015 Insino o rivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Liikkeet. Haarto & Karhunen.

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

NESTEIDEN ja ja KAASUJEN MEKANIIKKA

Termodynamiikka. Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt. ...jotka ovat kaikki abstraktioita


Fysiikan perusteet. Liikkeet. Antti Haarto

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

a) Oletetaan, että happi on ideaalikaasu. Säiliön seinämiin osuvien hiukkasten lukumäärä saadaan molekyylivuon lausekkeesta = kaava (1p) dta n =

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Ekvipartitioperiaatteen mukaisesti jokaiseen efektiiviseen vapausasteeseen liittyy (1 / 2)kT energiaa molekyyliä kohden.

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2013

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

Kvanttifysiikan perusteet 2017

53 ELEKTRONIN SUHTEELLISUUSTEOREETTINEN LIIKE- MÄÄRÄ

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, viikko 46/2017

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Luvun 12 laskuesimerkit

η = = = 1, S , Fysiikka III (Sf) 2. välikoe

8. Klassinen ideaalikaasu

Luvun 8 laskuesimerkit

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

. g = 0,42g. Moolimassat ovat vastaavasti N 2 :lle 28, 02g/ mol ja typpiatomille puolet tästä 14, 01g/ mol.

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

766328A Termofysiikka Harjoitus no. 10, ratkaisut (syyslukukausi 2014)

KIINTEÄN AINEEN JA NESTEEN TILANYHTÄLÖT

Venymälle isotermisessä tilanmuutoksessa saadaan AE AE

V T p pv T pv T. V p V p p V p p. V p p V p

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

Kaasu 2-atominen. Rotaatio ja translaatiovapausasteet virittyneet (f=5) c. 5 Ideaalikaasun tilanyhtälöstä saadaan kaasun moolimäärä: 3

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Chapter 3. The Molecular Dance. Luento Terminen liike Kineettinen kaasuteoria Boltzmann-jakauma Satunnaiskävely

Laskuharjoitus 1 Ratkaisut

Ilman suhteellinen kosteus saadaan, kun ilmassa olevan vesihöyryn osapaine jaetaan samaa lämpötilaa vastaavalla kylläisen vesihöyryn paineella:

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

n = = RT S Tentti

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

y + 4y = 0 (1) λ = 0

Keski-Suomen fysiikkakilpailu

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

Tarkastellaan tilannetta, jossa kappale B on levossa ennen törmäystä: v B1x = 0:

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

Luku 13 KAASUSEOKSET

RATKAISUT a + b 2c = a + b 2 ab = ( a ) 2 2 ab + ( b ) 2 = ( a b ) 2 > 0, koska a b oletuksen perusteella. Väite on todistettu.

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

Kerrataan harmoninen värähtelijä Noste, nesteen ja kaasun aiheuttamat voimat Noste ja harmoninen värähtelijä (laskaria varten)

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

DEE Tuulivoiman perusteet

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

(1) (2) Normalisointiehdoksi saadaan nytkin yhtälö (2). Ratkaisemalla (2)+(3) saamme

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

(b) Tunnista a-kohdassa saadusta riippuvuudesta virtausmekaniikassa yleisesti käytössä olevat dimensiottomat parametrit.

RATKAISUT: 7. Gravitaatiovoima ja heittoliike

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

Termodynaamiset syklit Todelliset tehosyklit

Transkriptio:

S-4.35, FYSIIKKA III, Syksy 00, LH, Loppuiikko 38 LH-* Laske happimolekyylin keskimääräinen apaa matka 300 K lämpötilassa ja,0 baarin paineessa. Voit olettaa, että molekyyli on pallon muotoinen ja pallon säteeksi oit alita 0,5 nm. Vapaa matka on happimolekyylin kahden peräkkäisen törmäyksen älillä kulkema matka. Voimme ajatella, että yksittäinen molekyyli A poraa kaasuun sylinterimäisen reiän. Keskimäärin molekyyli törmää toiseen molekyyliin B, kun molekyylin B keskipiste osuu R etäisyydelle, missä R on molekyylin säde. Peräkkäisten törmäysten älillä molekyyli A on L 4π R, missä L on aatinut muista molekyyleistä apaata tilaa keskimäärin ( ) keskimääräinen törmäysäli eli apaa matka. Tässä tilauudessa täytyy siis olla keskimäärin molekyyli. Yhden molekyylin aatima tila saadaan tilanyhtälöstä kt pv = kt Vmolekyyli = = L( 4π R ). p kt Tästä saadaan apaaksi matkaksi L = = =. p 4πR n 4πR nσ ( ) ( ) issä sijoitimme n = p/ kt ja σ = 4πR on nimeltään molekyylisironnan mikroskooppinen aikutusala). Sijoittamalla numeroarot saadaan apaaksi matkaksi 8 L =,38 0 m = 3, nm. Yksityiskohtaisemman kineettisen tarkastelun aulla oidaan osoittaa, että molekyylin keskimääräinen apaa matka on hieman pienempi kuin yllä johdettu karkea ario. LH- Tarkastellaan -ulotteista ideaalikaasua. Sen molekyylit oiat liikkua ain tasossa, jonka laidalla ne tärmääät elastisesti reunukseen. olekyylit eiät näe toisiaan, toisin sanoen niiden älisiä oimia ei oteta huomioon. Johda samalla menettelyllä kuin 3-ulotteisen kaasun tapauksessa molekyylien reunukseen kohdistama -ulotteinen paine ( = oima / pituusyksikkö) ja siitä astaaa -ulotteisen ideaalikaasun tilanyhtälö. ulotteisen ideaalikaasun tilanyhtälö. (rt. Opetusmoniste) olekyylit sijaitseat laatikossa, jonka pinta-ala on S. Tehtää ratkaisu oidaan muodostaa helposti 3-ulotteiseen tarkasteluun pohjautuen. Tarkasteltaessa differentialisen kaasualkion törmäystä astian seinään, pinta-ala A kuassa. korautuu nyt laatikon siun osan pituudella L ks oheista kuaa. Kuan. sylinteri korautuu siis suunnikkaalla, jonka siun pituudet oat L ja dt ja pinta-ala S. Tässä suunnikkaassa on

dtlcosθ nx = Lxdtnx molekyyliä, joilla nopeuden x-komponentin itseisaro on x. Tiheys n x ilmoittaa nyt niiden molekyylien lukumäärän pinta-alayksikköä kohden joilla on nopeuden itseisaro. Liikemäärä ennen törmäystä on P = (/ ) mn S x x x ja jälkeen törmäyksen ' ' P = (/ ) mn S = (/ ) mn S. x x x x x x Seinän saama impulssi on liikemäärän muutos : ' x x x x x x x Fdt = P = P P = mn S = mn L dt () ( F > 0 )ja siis pinta-alaan A kohdistua D-paine p = F/L: p D x x = mn () Kirjoitamme paineelle alaindeksin D, jotta muistamme että kyseessä on oima pituusyksikköä kohden.seuraaaksi summaamme paineen () yli kaikkien nopeuden x- komponenttien: p = m n (3) D i xi xi Summaus suoritetaan nopeuden x- komponentin itseisarojen yli. Samoin kuin 3-ulotteisessa tarkastelussa keskiaro nopeuden x-komponentin neliöstä määritellään: ( ) n / n x ae xi xi xi i i (4) joten pd = m( n)( x) ae, missä n = nxi on molekyylien kokonaistiheys pintaalayksikköä kohden. opeus ektorin neliölle pätee = +, joten i D-nopeuden keskiarolle saadaan ae x ae y ae ( ) = ( ) + ( ). Symmetrian perusteella x y x ae y ae ( ) = ( ) ts. ( x) ae = ( ) ae. erkitään ( ) ae rms. Voima pituusyksikköä kohden eli D-paine on siis pd = mnrms (5) Vastaaa tilanyhtälö saadaan kertomalla D-paine molekyylit sisältään laatikon pintaalalla pda= manrms = mrms.

Suluissa olea lauseke on (myös) D-kaasun kokonaisenergia. Koska molekyyleillä on kaksi liikkeen apausastetta, sen on oltaa ekipartitioperiaateen mukaan = (/) kt. Dideaalikaasun tilanyhtälö on siis pd A= kt. LH-3* olekyyli koostuu neljästä atomista, jotka sijaitseat tetraedrin kärkipisteissä. ääritä translaatio-, rotaatio- ja ibraatioapausasteiden lukumäärät tälle molekyylille. Koska molekyyli on aidosti kolmiulotteinen, sillä on 3 translaatioapausastetta ja 3 rotaatioapausastetta. äihin liittyy ekipartitioperiaatteen mukaan molekyyliä kohden lämpöenergiaa (3+ 3) ( /) kt = 3kT. Värähtelyapausasteita jää siis 3 6= 6 kappaletta. Koska kuhunkin ärähtelyapausasteeseen liittyy ( / )kt erran lämpöenergiaa, saadaan yhteensä 6kT ärähtelyenergiaa molekyyliä kohden. Yhteensä lämpöenergiaa on molekyyliä kohden määrä 9kT. Kokonaisenergia molekyyliä kohden oidaan kirjoittaa myös muodossa E = f (/) kt missä f on efektiiisten apausasteiden määrä. Tällöin on ärähtelyjen osalta kerrottu todellisten apausasteiden määrä tekijällä, jotta otettaisiin huomioon niihin sisältyä kaksinkertainen määrä lämpöenergiaa. Tilastollisen mekaniikan osassa tulemme johtamaan tämän tuloksen yksityiskohtaisesti ns. partitiofunktion aulla. Yhteensä on tetraedrimolekyylillä ekialentteja apausasteita siis f = 6 + 6 = 8. Ominaislämpö akiopaineessa määritellään (käsitellään lähemmin termodynamiikan osassa) cv = fr. Tämä on lyhyesti se lämpömäärä, joka taritaan kohottamaan kaasumoolin lämpötilaa yhdellä asteella tilauuden pysyessä akiona. Vastaukseksi saamme siis cv = 9R. Adiabaattiakion γ aroksi saamme astaaasti 9R + R 0 γ = = 9R 9 iten saat tästä tuloksesta helposti metaanin CH 4 adiabaattiakion? etaanin etyatomit muodostaat tetraedrin. Hiiliatomi on tetraedrin keskellä. Adiabaattiakio on yhteydessä kaasun tilanyhtälöön adiabaattisessa tilanmuutoksessa. Voidaan osoittaa, että adiabaattisen tilanmuutoksen yhtälö oidaan yleisesti esittää muodossa pv γ = akio. Aiemmin osoitimme, että 5/3 yksiatomiselle kaasulle pv = akio adiabaattisessa laajenemisessa. Yksiatomisen kaasun adiabaattiakio on siis (3 translaatioapausastetta) LH-4* Astiassa on 0,00 µmol etyä (H) ja,00 µg typpeä (). Seoksen lämpötila on 373 K ja paine 0,33 Pa. ääritä a) astian tilauus, b) edyn ja typen osapaineet ja c) molekyylien lukumäärä cm3:ssä kaasua. Typpiatomin järjestysluku on 7. Oletetaan kaasu ideaalikaasuksi ja soelletaan Daltonin lakia.

Kumpikin seoksen kaasu toteuttaa erikseen ideaalikaasun tilanyhtälön: m ph V = ν H RT p V = ν RT = RT, () missä 8, 0 g mol on typen moolimassa ja p H ja p oat edyn ja typen osapaineet. a) Daltonin lain mukaan kokonaispaine on p= p + p. () H Yhtälöistä () ja () saadaan m RT ph + p = ν H + = p, V josta oidaan ratkaista astian tilauus m RT 3 V = ν H + 3,6 dm. p ν H RT b) Yhtälöistä () ja () saadaan ph = 98,0 mpa V ( ) p = p ph 0,33 9,80 0 Pa 35,0 mpa. c) olekyylien kokonaislukumäärä on = H +. oolissa on Aogadron luun ilmoittama määrä molekyylejä, joten molekyylin kokonaislukumäärä astiassa on m 6 = ν H + 8,73 0 A olekyylien lukumäärätiheys on siten 3-3 n =,58 0 cm. V LH-5* Laske nopeuden itseisaron keskiaro ae ja nopeuden neliöllinen keskiaro rms seuraaille 6 molekyylien nopeusjakaumille: a) kaikkien auhti 0 m/s, b) kolmen auhti 5 m/s ja kolmen 0 m/s, c) neljän auhti 5 m/s ja kahden 0 m/s, d) kolme molekyyliä on leossa ja kolmen auhti 0 m/s ja e) yhden auhti 5 m/s, kahden auhti 7 m/s, kahden 5 m/s ja yhden 0 m/s? Vauhti = nopeuden itseisaro. opeuden neliöllinen keskiaro on nopeuden neliön keskiaron neliöjuuri : rms ( ) =. Vauhti = nopeuden itseisaro. opeuden itseisaron keskiaro :lle hiukkaselle määritellään yhtälöllä ae i i = = () ae

ja nopeuden neliöllinen keskiaro yhtälöllä rms / i. () i = = Jaetaan hiukkaset aliryhmään. Olkoon hiukkasten lukumäärä aliryhmässä n j, j =,,..,, jolloin =. Kuhunkin aliryhmään kuulualla hiukkasella on sama nopeus j. j n j Yhtälöt () ja () oidaan tällöin kirjoittaa painotettuina keskiaroina; kutakin nopeuden aroa painotetaan ao. ryhmään kuuluien hiukkasten lukumäärällä: ja n j j ae = = n j j n j / n j j rms = n = j j n j Sijoittamalla saadaan seuraaat tulokset: ae m/s rms m/s a) 0,0 0,0 b),5 4,6 c) 0,0, d) 0,0 4, e),5,7 (3) (4)