background image

kinetyczna teoria gazów 

KINETYCZNA TEORIA GAZÓW 

 
 

  Założenia teorii klasycznej 

 

1.

 

 spełnione są zasady zachowania 

2.

 

 procesy są ciągłe 

3.

 

 cząstki są rozróżnialne 

4.

 

 każda cząstka może mieć dowolne wartości  

współrzędnych i pędów 

 

 

  Ciśnienie gazu -  rezultat zderzeń 

background image

kinetyczna teoria gazów 

PODSTAWOWE RÓWNANIE 

KINETYCZNEJ TEORII GAZÓW 

 

2

3

k

pV

E

=

 

 

 

 

=

=

n

i

i

i

k

u

m

E

1

2

2

1

 

    Dla   

m

= m

 

2

1

2

k

kw

E

nmv

=

 

 

ś

rednia prędkość kwadratowa       

1

2

2

1

1

n

kw

i

i

v

u

n

=

=

 

 

gaz 

masa molowa 

m

 

/s 

H

2

 

2,02 

1920 

He 

1370 

H

2

18 

645 

N

2

 

28 

517 

O

2

 

32 

482 

CO

2

 

44 

412 

background image

kinetyczna teoria gazów 

 

TEMPERATURA 

 

Porównując podstawowe równanie teorii kinetycznej 

k

E

pV

3

2

=

 

 z równaniem Clapeyrona 

 

pV= nkT 

 

otrzymuje się średnią energię kinetyczną ruchu 
postępowego jednej cząstki  

 

kT

E

K

2

3

=

 

 

23

10

38

,

1

k

 J/K

   

jest stałą Boltzmanna.

  

            k = R/N

A

 

 
Temperatura

  jest miarą średniej energii kinetycznej.  

 

 

background image

kinetyczna teoria gazów 

ZASADA EKWIPARTYCJI ENERGII 

 

 

 

Ś

rednio na jeden stopień swobody 

ruchu postępowego i ruchu 
obrotowego przypada taka sama ilość 
energii kinetycznej,   kT/2. 

 

 

2

K

k T

E

i

=

 

 

i

 – ilość stopni swobody cząsteczki 

 

 

 

 

Ś

rednia  wartość  energii,  przypadającej  na  jeden  stopień 

swobody  ruchu  drgającego  zawiera  wkład  od  energii 
kinetycznej i potencjalnej  

 

 

kT

E

E

PO

KO

2

1

=

=

 

 

kT

E

E

E

p

k

=

+

=

0

0

0

 

background image

kinetyczna teoria gazów 

ENERGIA WEWNĘTRZNA 

 

 
Energia wewnętrzna

  gazu wieloatomowego jest energią 

kinetyczną wszystkich rodzajów ruchu jego cząstek.  
 
Dla jednego mola 
 

2

2

A

k

A

ikT

RT

U

N

E

N

i

=

=

=

 

 

 

N

A 

– liczba Avogadra,   

- uniwersalna stała gazowa 

 
 

 

 

Amadeo Avogadro (1776-1856) 

- wszystkie gazy zajmujące taką samą objętość w tej samej 

temperaturze i przy tym samym ciśnieniu zawierają taka 

samą liczbę cząsteczek. 

background image

kinetyczna teoria gazów 

CIEPŁO MOLOWE GAZU

  

 

Dla jednego mola 

 

2

2

RT

i

T

kN

i

N

E

U

A

A

k

=

=

=

 

   

 

 

 

     

W przemianie izochorycznej (V = const.) 

 

       

T

C

T

R

i

T

kN

i

U

Q

V

A

const

V

=

=

=

=

=

2

2

.

 

R

i

C

V

2

=

 

 

Ciepło molowe cząsteczek H

2                                                                                                                                                                                                                                                                         

przy stałej objętości

 

 

Halliday, Resnick, Walker 

 

powyżej 3 200 K dysocjacja cząsteczek 

background image

kinetyczna teoria gazów 

 ROZKŁAD PRĘDKOŚCI CZĄSTEK

 

(rozkład Maxwella) 

 

 

du

u

kT

mu

kT

m

n

dn

2

2

2

3

0

4

2

exp

2

π

π





=

 

 

dn

  – 

liczba cząstek o prędkościach od

  

u

  

do

  

u + du

  

 

 

 

 

cząsteczki O

2            

 

  

T

1

< T

< T

du

dn

 

T

T

T

u

pr 

u

 

0

1

)

(

n

du

dn

u

P

=

 

background image

kinetyczna teoria gazów 

ROZKŁAD MAXWELLA 

 
 
 

 

prędkość najbardziej prawdopodobna   

 

2

p r

kT

u

m

=

 

 

 

prędkość średnia

 

     

 

m

kT

u

π

8

=

 

 

 

prędkość średnia kwadratowa

 

 

m

kT

u

kw

3

=

 

 

background image

kinetyczna teoria gazów 

ROZKŁAD BOLTZMANA

  

 

ROZKŁAD POŁOŻEŃ W POLU SIŁ 

 

 

(

)

(

)

dxdydz

kT

z

y

x

E

C

z

y

x

dn

P

=

,

,

exp

,

,

 

 

 

dn(x,y,z)

 – liczba cząstek w obszarze

  

od  x  do x+dx, 

od  y  do y+dy

od  z  do z+dz. 

 

 

background image

kinetyczna teoria gazów 

10

ROZKŁAD BOLTZMANA 

 

Przykład  
Ciśnienie powietrza w pobliżu powierzchni Ziemi   

 

dV

kT

mgh

C

dn

=

exp

 

gęstość gazu: 

 

 

dV

dn

m

=

ρ

  

   

exp

mgh

C

kT

ρ

= ⋅

 

 
wzór barometryczny: 

 

=

kT

mgh

p

p

exp

0

 

 
 

 k = 1,38×10

23

 J/

background image

kinetyczna teoria gazów 

11

ŚREDNIA DROGA SWOBODNA

 

 

Ś

rednia droga swobodna to średnia odległość 

przebywana pomiędzy zderzeniami 
 
< z > - średnia liczba zderzeń  
na jednostkę czasu 
 

 

 

2

0

(

)

wzg

z

n

d

u

π

=

<

>

 

 

 

 

 

 

 

2

0

2

(

)

z

n

d

u

π

=

   

 

 

 

 

 
Ś

rednia droga swobodna 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ

λ

=

u

 

   

 

 

 

   

 

 

 

 

0

2

2

1

n

d

z

u

π

λ

=

=

           n

0

 ~ p

            d~300pm 

                                        

p

1

~

λ

 

cząsteczki powietrza 
h = 0               < 

λ 

> = 0,1 mm 

h = 100 km     < 

λ 

> = 16 cm 

h = 300 km     < 

λ 

> = 20 km  

    

π

d

2

 

v∆t 

background image

kinetyczna teoria gazów 

12

 

ZJAWISKA TRANSPORTU 

 

 

wyrównywanie niejednorodności koncentracji  
i rozkładu prędkości cząsteczek 
 

1.

 

Dyfuzja

 – przenoszenie masy 

 
Samoistne mieszanie się cząstek różnych rodzajów 
substancji, wyrównywanie niejednorodność gęstości  
 

 

 

0

n

D

j

=

r

r

 

 

 

gdzie  

j

r

gęstość strumienia cząstek  

 

 

0

- gradient koncentracji cząstek

n

r

 

 

 D - współczynnik dyfuzji 
 

λ

u

D

3

1

=

 

 

 
       

 

background image

kinetyczna teoria gazów 

13

ZJAWISKA TRANSPORTU 

 

2. 

Lepkość

  (tarcie wewnętrzne) 

 

 

Tarcie między poruszającymi się względem siebie 
warstwami cieczy lub gazu 
 
 

 

   

 

 

   

   

przekaz pędu   

   

 

 
 

 

dv

dz

τ

η

= −

 

 

τ

 - naprężenie styczne (siła na jednostkę powierzchni) 

v - prędkość warstwy  

z

 – współrzędna normalna (prostopadła) do 

powierzchni warstwy  

η

 - współczynnik lepkości dynamicznej   

 

 

ρ

λ

η

=

u

3

1

 

 

 

v

2

 

v

1

 

background image

kinetyczna teoria gazów 

14

ZJAWISKA TRANSPORTU 

 

3. Przewodnictwo cieplne 

 

   

 

Wyrównuje rozkład średniej energii kinetycznej cząstek 

 

 

Gęstość strumienia cieplnego:   

 

 

           

 

 

                

T

K

q

=

r

r

  

 

 

 

 

- gradient temperatury

T

r

 

K - współczynnik przewodnictwa cieplnego 
 

ρ

λ

=

V

c

u

K

3

1

 

 

Trzy mechanizmy przekazywania ciepła: 

 

przewodnictwo cieplne  

 

konwekcja 

 

promieniowanie 

 

background image

kinetyczna teoria gazów 

15

PRZEWODNICTWO CIEPLNE 

 

 

 

 

 

L

T

T

KS

t

Q

Z

G

=

 

 

 

background image

kinetyczna teoria gazów 

16

JEDNOWYMIAROWE ZJAWISKA 

TRANSPORTU 

 

 

 

masa 

dt

dS

dx

d

D

dM

=

ρ

   

 

 

 

pęd 

dS

dx

dv

dF

η

=

 

 

 

     

 

 

 

dt

dS

dx

dT

K

dQ

=

      

 

 

 

λ

u

D

3

1

=

 

D

ρ

η

=

 

   

D

c

K

V

=

ρ

 

  

 

 

 

 

energia