Skip to content · ⁨ข้ามไปยังเนื้อหา⁩

Ideal gases · ⁨แก๊สอุดมคติ⁩

A-Level Physics · ⁨Physics A-Level⁩ · Topic 15 · ⁨หัวข้อ 15⁩

Video lesson for this topic · ⁨บทเรียนวิดีโอสำหรับหัวข้อนี้⁩ Open the video page · ⁨เปิดหน้าวิดีโอ⁩
13:48

แก๊สในอุดมคติ

ยกแก้วน้ำหนึ่งใบขึ้นมากอด คุณอาจคิดว่ามันดูง่ายดี แต่ภายในนั้นมีโมเลกุลมากกว่าที่คุณจะนับได้ทั้งหมด มวลสารหนึ่งمولของน้ำ — เพียงสิบแปดกรัม, …

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ⁩

15.1

The mole · ⁨โมล⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English
  1. understand that amount of substance is an SI base quantity with the base unit mol
  2. use molar quantities where one mole of any substance is the amount containing a number of particles of that substance equal to the Avogadro constant $N_{\text{A}}$
ไทย
  1. เข้าใจว่า ปริมาณสาร เป็น ปริมาณพื้นฐาน SI ที่มีหน่วยพื้นฐานคือ โมล
  2. ใช้ปริมาณโมลเมื่อหนึ่ง โมล ของสารใดๆ เป็นปริมาณที่มีจำนวนอนุภาคของสารนั้นเท่ากับ ค่าคงที่อาวอกาโดร $N_{\text{A}}$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

English

Amount of substance 物质的量 is an SI base quantity. Its unit is the mole 摩尔 (mol) — one of the seven SI base units, with the kilogram, metre, second, ampere and kelvin 开尔文 from Topic 1.

One mole of any substance has a number of particles equal to the Avogadro constant 阿伏伽德罗常量:

$$N_{\text{A}} = 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}.$$

A "particle" means whatever you are counting — atoms 原子 for a monatomic 单原子 element like helium, molecules 分子 for $\text{O}_{2}$ or $\text{H}_{2}\text{O}$. Always say what you are counting.

For $n$ moles, the number of particles is $N = n N_{\text{A}}$.

The molar mass 摩尔质量 $M_{\text{m}}$ is the mass of one mole ($\text{kg mol}^{-1}$ or $\text{g mol}^{-1}$). Mass of $n$ moles is $M = n M_{\text{m}}$. Mass of one particle is $m_{0} = M_{\text{m}} / N_{\text{A}}$.

The examiner's wording. The Avogadro constant is the number of atoms (or molecules) in one mole of a substance — one mark; adding "in $0.012\ \text{kg}$ of carbon-12" is accepted but not needed. Asked for "the relationship between $N_{\text{A}}$, $R$ and $k$", write $k = R/N_{\text{A}}$ (or $R = N_{\text{A}}k$).

Worked example. Oxygen has a molar mass of $32\ \text{g mol}^{-1}$. Find the mass of one oxygen molecule, and the number of molecules in $8.0\ \text{g}$ of oxygen.

$m_{0} = \dfrac{M_{\text{m}}}{N_{\text{A}}} = \dfrac{0.032}{6.02 \times 10^{23}} = 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. $8.0\ \text{g}$ is $n = 8.0/32 = 0.25\ \text{mol}$, so $N = nN_{\text{A}} = 1.5 \times 10^{23}$ molecules. Keep molar masses in $\text{kg mol}^{-1}$ when the answer is in kilograms — the factor of $1000$ is the usual slip.

ไทย

ปริมาณสาร เป็นปริมาณพื้นฐาน SI หน่วยของมันคือ โมล (mol) — หนึ่งในเจ็ดหน่วยพื้นฐาน SI ร่วมกับกิโลกรัม เมตร วินาที แอมแปร์ และ เคลวิน จากหัวข้อ 1

หนึ่งโมลประกอบด้วยจำนวนอาโวกาโดรของอนุภาค
หนึ่งโมลประกอบด้วยจำนวนอนุภาคตามเลขอะวอกาโดร

หนึ่งโมลของสารใดๆ มีจำนวนอนุภาคเท่ากับ ค่าคงที่อะวอกาโดร:

$$N_{\text{A}} = 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}.$$

"อนุภาค" หมายถึงสิ่งที่คุณกำลังนับ — อะตอม สำหรับ ธาตุโมโนอะตอมมิก เช่น ฮีเลียม, โมเลกุล สำหรับ $\text{O}_{2}$ หรือ $\text{H}_{2}\text{O}$. ต้องระบุเสมอว่าคุณกำลังนับอะไร

สำหรับ $n$ โมล จำนวนอนุภาคคือ $N = n N_{\text{A}}$.

มวลโมลาร์ $M_{\text{m}}$ คือมวลของหนึ่งโมล ($\text{kg mol}^{-1}$ หรือ $\text{g mol}^{-1}$). มวลของ $n$ โมลคือ $M = n M_{\text{m}}$. มวลของหนึ่งอนุภาคคือ $m_{0} = M_{\text{m}} / N_{\text{A}}$.

คำพูดของผู้ตั้งข้อสอบ ค่าคงที่อาวากาโดรคือจำนวนอะตอม (หรือโมเลกุล) ในหนึ่งโมลของสาร — ได้คะแนนหนึ่งข้อ; เพิ่ม "ใน $0.012\ \text{kg}$ ของคาร์บอน-12" ถือรับได้แต่ไม่จำเป็น ถามถึง "ความสัมพันธ์ระหว่าง $N_{\text{A}}$, $R$ และ $k$" ให้เขียน $k = R/N_{\text{A}}$ (หรือ $R = N_{\text{A}}k$)

ตัวอย่างวิธีทำ. ออกซิเจนมีมวลโมลาร์เท่ากับ $32\ \text{g mol}^{-1}$. จงหามวลของโมเลกุลออกซิเจนหนึ่งโมเลกุล และจำนวนโมเลกุลใน $8.0\ \text{g}$ ของออกซิเจน.

$m_{0} = \dfrac{M_{\text{m}}}{N_{\text{A}}} = \dfrac{0.032}{6.02 \times 10^{23}} = 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. $8.0\ \text{g}$ คือ $n = 8.0/32 = 0.25\ \text{mol}$ ดังนั้นจึงได้ $N = nN_{\text{A}} = 1.5 \times 10^{23}$ โมเลกุล. ควรเก็บมวลโมลาร์ไว้ใน $\text{kg mol}^{-1}$ เมื่อคำตอบอยู่ในหน่วยกิโลกรัม — ตัวคูณ $1000$ เป็นจุดที่ผู้เรียนมักทำผิดบ่อยๆ

Explore · ⁨สำรวจ⁩

Mole particle count lab · ⁨ห้องปฏิบัติการนับจำนวนอนุภาคของโมล⁩

particles = n x Avogadro constant · ⁨จำนวนอนุภาค = n x ค่าคงที่อาวอกาดโร⁩

Change amount of substance and see particle number scale directly. · ⁨เปลี่ยนปริมาณสารแล้วดูว่าจำนวนอนุภาคแปรผันโดยตรง⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
mole/məʊl/ โมล
amount of substance/əˈmaʊnt ɒv ˈsʌbstəns/ ปริมาณสาร
kelvin/ˈkelvɪn/ เคลวิน
15.2

Equation of state of an ideal gas · ⁨สมการสถานะของแก๊สอุดมคติ⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English
  1. understand that a gas obeying $pV \propto T$, where $T$ is the thermodynamic temperature, is known as an ideal gas
  2. recall and use the equation of state for an ideal gas expressed as $pV = nRT$, where $n =$ amount of substance (number of moles) and as $pV = NkT$, where $N =$ number of molecules
  3. recall that the Boltzmann constant $k$ is given by $k = R/N_{\text{A}}$
ไทย
  1. เข้าใจว่าแก๊สที่สอดคล้องกับ $pV \propto T$, โดยที่ $T$ คือ อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์, เรียกว่า แก๊สในอุดมคติ
  2. จำและใช้ สมการสถานะ ของแก๊สอุดมคติที่เขียนในรูป $pV = nRT$, โดยที่ $n =$ คือปริมาณสาร (จำนวนโมล) และในรูป $pV = NkT$, โดยที่ $N =$ คือจำนวนโมเลกุล
  3. จำว่า ค่าคงที่โบลต์ซมันน์ $k$ ให้โดย $k = R/N_{\text{A}}$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

English

An ideal gas 理想气体 obeys $pV \propto T$ exactly, where $T$ is the thermodynamic temperature 热力学温度.

The equation of state 状态方程 can be written two equal ways:

$$p V = n R T \qquad\text{or}\qquad p V = N k T.$$

Here:

  • $p$ — pressure 压强 (Pa).
  • $V$ — volume 体积 (m³).
  • $T$ — thermodynamic temperature in kelvin (never °C).
  • $n$ — number of moles; $N$ — number of molecules.
  • $R$ — molar gas constant 摩尔气体常量, $R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.
  • $k$ — Boltzmann constant 玻尔兹曼常量, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.

Since $N = n N_{\text{A}}$, we get $k = R/N_{\text{A}}$: $k$ is the gas constant per molecule, as $R$ is per mole.

The two-mark definition. An ideal gas is one that obeys $pV = nRT$ (or $pV \propto T$, with $T$ the thermodynamic temperature) at all values of pressure, volume and temperature. Both marks need the equation (or the proportionality with $T$ named as thermodynamic) and "at all values" or "for all $p$, $V$ and $T$". Asked to "state the meaning of each symbol in $pV = NkT$": $p$ is the pressure, $V$ the volume, $N$ the number of molecules, $k$ the Boltzmann constant and $T$ the thermodynamic temperature — a real gas is nearly ideal at low pressure and high temperature, where its molecules are far apart.

Using the equation of state

List the variables you have, find the unknown, and choose the form that matches your "amount" (moles → $nRT$; molecules → $NkT$). Always use SI units: Pa, m³, K.

Worked example. A cylinder of volume $0.020\ \text{m}^{3}$ holds gas at $27\ ^{\circ}\text{C}$ and a pressure of $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. How many moles of gas are there? ($R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.)

Convert to kelvin: $T = 27 + 273 = 300\ \text{K}$. Then from $pV = nRT$,

$$n = \frac{pV}{RT} = \frac{(2.0 \times 10^{5})(0.020)}{8.31 \times 300} \approx 1.6\ \text{mol}.$$

If a fixed amount of gas changes from state 1 to state 2:

$$\frac{p_{1} V_{1}}{T_{1}} = \frac{p_{2} V_{2}}{T_{2}}.$$

Worked example. A fixed mass of gas at $300\ \text{K}$ occupies $0.50\ \text{m}^{3}$. It is heated to $450\ \text{K}$ at constant pressure. Find the new volume.

At constant pressure $V/T$ is constant, so

$$V_{2} = V_{1}\,\frac{T_{2}}{T_{1}} = 0.50 \times \frac{450}{300} = 0.75\ \text{m}^{3}.$$

Worked example. A sealed vessel of volume $0.0500\ \text{m}^{3}$ contains $0.0424\ \text{kg}$ of an ideal gas at $227\ ^{\circ}\text{C}$ and $1.37 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Find the amount of gas, the mass of one molecule, and the mean-square speed of its molecules.

$T = 227 + 273 = 500\ \text{K}$. $n = \dfrac{pV}{RT} = \dfrac{1.37 \times 10^{5} \times 0.0500}{8.31 \times 500} = 1.65\ \text{mol}$. The molar mass is $0.0424/1.65 = 0.0257\ \text{kg mol}^{-1}$, so one molecule has mass $0.0257/(6.02 \times 10^{23}) = 4.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. From $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, $\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3kT}{m} = \dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 500}{4.27 \times 10^{-26}} = 4.8 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$ (an r.m.s. speed of about $700\ \text{m s}^{-1}$).

Worked example. Cylinder X (volume $0.0260\ \text{m}^{3}$, $0.740\ \text{mol}$) and cylinder Y (volume $0.0180\ \text{m}^{3}$, $0.320\ \text{mol}$) contain ideal gas and are in thermal equilibrium with each other at $290\ \text{K}$. Find the pressure in each, and explain what happens to the number of molecules in each cylinder if a tap joining them is opened.

$p_{\text{X}} = \dfrac{nRT}{V} = \dfrac{0.740 \times 8.31 \times 290}{0.0260} = 6.86 \times 10^{4}\ \text{Pa}$ and $p_{\text{Y}} = \dfrac{0.320 \times 8.31 \times 290}{0.0180} = 4.28 \times 10^{4}\ \text{Pa}$. Gas flows from the higher pressure (X) to the lower (Y) until the pressures are equal; the temperature is unchanged, so the final pressure is $p = \dfrac{(n_{\text{X}} + n_{\text{Y}})RT}{V_{\text{X}} + V_{\text{Y}}} = 5.8 \times 10^{4}\ \text{Pa}$, and X ends with $n_{\text{X}} = pV_{\text{X}}/RT = 0.63\ \text{mol}$ — it loses about $0.11\ \text{mol}$ to Y.

Worked example. A fixed amount of ideal gas at temperature $T$ is in state X, with pressure $2p$ and volume $V$. It is cooled at constant volume to state Y, where its pressure is $p$; then heated at constant pressure to state Z, where its volume is $2V$; then returned to X. Find the temperatures at Y and Z, and describe how the internal energy changes round the cycle.

X to Y is at constant volume, so $p/T$ is constant: halving the pressure halves the temperature, $T_{\text{Y}} = T/2$. Y to Z is at constant pressure, so $V/T$ is constant: doubling the volume doubles the temperature, $T_{\text{Z}} = T$. The internal energy of an ideal gas depends only on temperature, so it falls from X to Y (by $\tfrac{3}{2}nR \cdot T/2$), rises by the same amount from Y to Z, and is unchanged from Z back to X. Read each leg off the diagram before writing an equation: vertical means constant $V$, horizontal means constant $p$.

Special cases:

  • constant temperature (Boyle's law 玻意耳定律): $p_{1} V_{1} = p_{2} V_{2}$.
  • constant pressure (Charles's law 查理定律): $V / T = \text{constant}$.
  • constant volume (pressure law 气体压强定律): $p / T = \text{constant}$.

A common mistake is using °C instead of K — $pV \propto T$ only holds with $T$ in kelvin.

ไทย
แถวกระบอกแก๊สอัด
กระบอกแก๊สอัดเก็บแก๊สที่มีมวลคงที่ไว้ภายใต้ความดันสูง.

แก๊สอุดมคติ เป็นไปตาม $pV \propto T$ อย่างสมบูรณ์ โดยที่ $T$ คือ อุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกส์

สมการสถานะ สามารถเขียนได้ในรูปเท่ากันสองแบบ:

$$p V = n R T \qquad\text{or}\qquad p V = N k T.$$

โดยที่:

  • $p$ — ความดัน (ปาสคาล).
  • $V$ — ปริมาตร (m³)。
  • $T$ — อุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกส์ในหน่วยเคลวิน (ห้ามใช้ °C).
  • $n$ — จำนวนโมล; $N$ — จำนวนโมเลกุล.
  • $R$ — ค่าคงตัวแก๊สโมลาร์, $R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.
  • $k$ — ค่าคงตัวของโบลต์ซมันน์, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.

เนื่องจาก $N = n N_{\text{A}}$ เราจะได้ $k = R/N_{\text{A}}$: $k$ คือค่าคงตัวแก๊ส ต่อโมเลกุล เหมือนกับที่ $R$ เป็นค่าคงตัว ต่อโมล

นิยามสำหรับสองคะแนน แก๊สในอุดมคติคือแก๊สที่ปฏิบัติตาม $pV = nRT$ (หรือ $pV \propto T$, โดยที่ $T$ คืออุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์) ที่ค่าความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิทั้งหมด ทั้งสองคะแนนต้องรวมสมการ (หรือความสัมพันธ์แปรผันตรงกับ $T$ ที่ระบุว่าเป็นทางอุณหพลศาสตร์) และ "ที่ทุกค่า" หรือ "สำหรับทุก $p$, $V$ และ $T$" เมื่อถูกถามให้ "อธิบายความหมายของสัญลักษณ์แต่ละตัวใน $pV = NkT$": $p$ คือความดัน, $V$ คือปริมาตร, $N$ คือ จำนวนโมเลกุล, $k$ คือค่าคงที่โบลต์ซมันน์ และ $T$ คืออุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ — แก๊สจริงจะมีพฤติกรรมใกล้เคียงแก๊สในอุดมคติที่ความดันต่ำและอุณหภูมิสูง ซึ่งโมเลกุลจะอยู่ห่างกันมาก

การใช้สมการสถานะ

ระบุตัวแปรที่คุณมี, หาสิ่งที่ต้องการหา, แล้วเลือกรูปแบบที่เหมาะสมกับ "ปริมาณ" ของคุณ (โมล → $nRT$; โมเลกุล → $NkT$). ใช้หน่วย SI เสมอ: Pa, m³, K.

ตัวอย่างคำอธิบาย. กระบอกทรงกระบอกที่มีปริมาตร $0.020\ \text{m}^{3}$ มีก๊าซอยู่ที่ $27\ ^{\circ}\text{C}$ และความดัน $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. จะมีก๊าซกี่โมล? ($R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.)

แปลงเป็นเคลวิน: $T = 27 + 273 = 300\ \text{K}$. จากนั้นจาก $pV = nRT$,

$$n = \frac{pV}{RT} = \frac{(2.0 \times 10^{5})(0.020)}{8.31 \times 300} \approx 1.6\ \text{mol}.$$

หากปริมาณก๊าซคงที่เปลี่ยนจากสภาวะ 1 เป็นสภาวะ 2:

$$\frac{p_{1} V_{1}}{T_{1}} = \frac{p_{2} V_{2}}{T_{2}}.$$

ตัวอย่างคำอธิบาย. ก๊าซที่มีมวลคงที่อยู่ที่ $300\ \text{K}$ มีปริมาตร $0.50\ \text{m}^{3}$. ถูกให้ความร้อนถึง $450\ \text{K}$ ที่ความดันคงที่. จงหาปริมาตรใหม่.

ที่ความดันคงที่ $V/T$ จะคงที่ ดังนั้น

$$V_{2} = V_{1}\,\frac{T_{2}}{T_{1}} = 0.50 \times \frac{450}{300} = 0.75\ \text{m}^{3}.$$

ตัวอย่างคำอธิบาย. ถังปิดที่มีปริมาตร $0.0500\ \text{m}^{3}$ มี $0.0424\ \text{kg}$ ของก๊าซอุดมคติที่ $227\ ^{\circ}\text{C}$ และ $1.37 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. จงหาปริมาณก๊าซ มวลของโมเลกุลหนึ่ง และความเร็วกำลังสองเฉลี่ยของโมเลกุล

$T = 227 + 273 = 500\ \text{K}$. $n = \dfrac{pV}{RT} = \dfrac{1.37 \times 10^{5} \times 0.0500}{8.31 \times 500} = 1.65\ \text{mol}$. มวลโมลาร์คือ $0.0424/1.65 = 0.0257\ \text{kg mol}^{-1}$, ดังนั้นโมเลกุลหนึ่งมีมวล $0.0257/(6.02 \times 10^{23}) = 4.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. จาก $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, $\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3kT}{m} = \dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 500}{4.27 \times 10^{-26}} = 4.8 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$ (ซึ่งมีความเร็ว r.m.s. ประมาณ $700\ \text{m s}^{-1}$).

ตัวอย่างคำอธิบาย. กระบอก X (ปริมาตร $0.0260\ \text{m}^{3}$, $0.740\ \text{mol}$) และกระบอก Y (ปริมาตร $0.0180\ \text{m}^{3}$, $0.320\ \text{mol}$) มีก๊าซอุดมคติและอยู่ในสมดุลความร้อนด้วยกันที่ $290\ \text{K}$. จงหาความดันในแต่ละกระบอก และอธิบายว่าจำนวนโมเลกุล在每个กระบอก会发生什么变化如果打开连接它们的阀门。

$p_{\text{X}} = \dfrac{nRT}{V} = \dfrac{0.740 \times 8.31 \times 290}{0.0260} = 6.86 \times 10^{4}\ \text{Pa}$ และ $p_{\text{Y}} = \dfrac{0.320 \times 8.31 \times 290}{0.0180} = 4.28 \times 10^{4}\ \text{Pa}$. แก๊สไหลจากจุดที่มีความดันสูง (X) ไปยังจุดที่มีความดันต่ำ (Y) จนกว่าความดันจะเท่ากัน; อุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นความดันสุดท้ายคือ $p = \dfrac{(n_{\text{X}} + n_{\text{Y}})RT}{V_{\text{X}} + V_{\text{Y}}} = 5.8 \times 10^{4}\ \text{Pa}$, และ X จะเหลือ $n_{\text{X}} = pV_{\text{X}}/RT = 0.63\ \text{mol}$ — ซึ่งสูญเสียไปประมาณ $0.11\ \text{mol}$ ไปยัง Y

แผนภูมิความดัน-ปริมาตรของรอบ: สภาวะ X ที่ความดัน 2p และปริมาตร V,被冷却等容至Y处压力为p,在等压下加热至Z处体积为2V,然后压缩回X; X、Y和Z处的温度分别为T、T/2和T
รอบบน $p$–$V$: เส้นตั้งตรงคือปริมาตรคงที่, เส้นแนวนอนคือความดันคงที่, และ $pV/T$ เท่ากันในทุกสภาวะ

ตัวอย่างคำอธิบาย. ก๊าซอุดมคติที่มีปริมาณคงที่ที่อุณหภูมิ $T$ อยู่ในสภาวะ X มีความดัน $2p$ และปริมาตร $V$. ถูกทำให้เย็นลงที่ปริมาตรคงที่ไปยังสภาวะ Y ที่ความดัน $p$; จากนั้นให้ความร้อนที่ความดันคงที่ไปยังสภาวะ Z ที่ปริมาตร $2V$; แล้วกลับไปที่ X. จงหาอุณหภูมิที่ Y และ Z, และอธิบายการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในรอบ

จาก X ไป Y ที่ปริมาตรคงที่, ดังนั้น $p/T$ คงที่: การลดความดันลงครึ่งหนึ่งจะทำให้ลดอุณหภูมิลงครึ่งหนึ่ง, $T_{\text{Y}} = T/2$. จาก Y ไป Z ที่ความดันคงที่, ดังนั้น $V/T$ คงที่: การเพิ่มปริมาตรเป็นสองเท่าจะทำให้เพิ่มอุณหภูมิเป็นสองเท่า, $T_{\text{Z}} = T$. พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น ดังนั้นจึงลดลงจาก X ไป Y (โดย $\tfrac{3}{2}nR \cdot T/2$), เพิ่มขึ้นเท่าเดิมจาก Y ไป Z, และไม่เปลี่ยนแปลงจาก Z กลับไป X. อ่านแต่ละส่วนจากแผนภูมิก่อนเขียนสมการ: เส้นตั้งแสดง $V$恒定, เส้นแนวนอนแสดง $p$恒定。

กรณีพิเศษ:

  • อุณหภูมิคงที่ (กฎของบอยล์): $p_{1} V_{1} = p_{2} V_{2}$.
  • ความดันคงที่ (กฎของชาร์ลส์): $V / T = \text{constant}$.
  • ปริมาตรคงที่ (กฎของความดัน): $p / T = \text{constant}$.

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยคือการใช้ °C แทน K — $pV \propto T$ จะใช้ได้ก็ต่อเมื่อ $T$ เป็นเคลวินเท่านั้น

กราฟความดัน-ปริมาตรสองเส้น: ที่อุณหภูมิคงที่ pV เป็นค่าคงที่, ดังนั้นแต่ละกราฟเป็นไฮเปอร์โบลา; อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะให้กราฟที่อยู่ห่างจากจุดกำเนิดมากขึ้น
กฎของบอยล์: ที่อุณหภูมิคงที่ $pV$ เป็นค่าคงที่, ดังนั้นกราฟ $p$–$V$ จึงเป็นไฮเปอร์โบลา
กราฟปริมาตรของก๊าซเทียบกับอุณหภูมิเป็นองศาเซลเซียสที่ความดันคงที่: เส้นตรงผ่านจุดวัด, ขยายกลับเป็นเส้นประเพื่อตัดที่ศูนย์ที่ประมาณ
ที่ความดันคงที่ ปริมาตรของก๊าซเพิ่มขึ้นแบบเส้นตรงตามอุณหภูมิ, ถึงศูนย์ที่ศูนย์สัมบูรณ์ (กฎของชาร์ลส์)
Explore · ⁨สำรวจ⁩

The ideal gas (Boyle) · ⁨แก๊สอุดมคติ (บอยล์)⁩

p = k / V

At constant temperature p ∝ 1/V — squeeze the volume and pressure rises. · ⁨ที่อุณหภูมิคงที่ p ∝ 1/V — บีบปริมาตรแล้วความดันจะเพิ่มขึ้น⁩

Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
15.3

Kinetic theory of gases · ⁨ทฤษฎีจลน์ของก๊าซ⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English
  1. state the basic assumptions of the kinetic theory of gases
  2. explain how molecular movement causes the pressure exerted by a gas and derive and use the relationship $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$, where $\langle c^2 \rangle$ is the mean-square speed (a simple model considering one-dimensional collisions and then extending to three dimensions using $\frac{1}{3}\langle c^2 \rangle = \langle c_x^2 \rangle$ is sufficient)
  3. understand that the root-mean-square speed $c_{\text{r.m.s.}}$ is given by $\sqrt{\langle c^2 \rangle}$
  4. compare $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$ with $pV = NkT$ to deduce that the average translational kinetic energy of a molecule is $\frac{3}{2}kT$, and recall and use this expression
ไทย
  1. บอกรูปแบบพื้นฐานของ ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
  2. อธิบายว่าการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก่อให้เกิด แรงดัน ที่แก๊สกระทำ以及如何 derive and use the relationship $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$, where $\langle c^2 \rangle$ is the mean-square speed (a simple model considering one-dimensional collisions and then extending to three dimensions using $\frac{1}{3}\langle c^2 \rangle = \langle c_x^2 \rangle$ is sufficient)
  3. เข้าใจว่า ความเร็ว root-mean-square $c_{\text{r.m.s.}}$ ให้โดย $\sqrt{\langle c^2 \rangle}$
  4. เปรียบเทียบ $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$ กับ $pV = NkT$ เพื่อสรุปว่า พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เชิงเส้นเฉลี่ย ของโมเลกุลคือ $\frac{3}{2}kT$, และจำและใช้นิพจน์นี้

Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

English
Kinetic theory: gas pressure

The kinetic theory 分子动理论 explains a gas's large-scale behaviour from the random motion 无规则运动 of its molecules.

Assumptions

For an ideal gas:

  1. a large number of identical molecules in continuous random motion.
  2. the molecules' own volume is too small to matter compared with the container.
  3. the time of each collision is too short to matter compared with the time between collisions.
  4. intermolecular 分子间 forces are ignored except during collisions (molecules go in straight lines between them).
  5. collisions (with the walls and with each other) are elastic — an elastic collision 弹性碰撞 loses no kinetic energy, so the gas does not cool down by itself.
  6. Newton's laws apply.

These assumptions become poor at very high pressure (molecular volume matters) or very low temperature (intermolecular forces matter).

As the exam asks it. "State two (or three) basic assumptions of the kinetic theory": choose from the molecules are in continuous random motion; the volume of the molecules is negligible compared with the volume of the gas; there are no forces between the molecules except during collisions; the collisions are perfectly elastic; the time of a collision is negligible compared with the time between collisions. "State what is meant by an elastic collision": one in which the total kinetic energy is conserved (as well as momentum). "Use the assumptions to suggest why the gas at the surface of a star, at very high pressure, is not ideal": the molecules are so close together that their own volume is not negligible compared with the gas volume, and intermolecular forces act between them — the two assumptions that fail when a gas is compressed.

Worked example. A balloon contains $0.40\ \text{mol}$ of hydrogen ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$ per molecule) in $9.8 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. Estimate the average separation of the molecules, the gravitational force between neighbouring molecules, and comment on the kinetic-theory assumption this tests.

$N = 0.40 \times 6.02 \times 10^{23} = 2.4 \times 10^{23}$ molecules, so each occupies $V/N = 4.1 \times 10^{-26}\ \text{m}^{3}$ and the average separation is $d = (V/N)^{1/3} = 3.4 \times 10^{-9}\ \text{m}$. The gravitational force between two molecules is $F = \dfrac{Gm^{2}}{d^{2}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times (3.34 \times 10^{-27})^{2}}{(3.4 \times 10^{-9})^{2}} = 6 \times 10^{-47}\ \text{N}$ — some $10^{20}$ times smaller than a molecule's own weight ($mg = 3.3 \times 10^{-26}\ \text{N}$). Forces between molecules really are negligible except during collisions, as the theory assumes.

Pressure of a gas — outline of the derivation

Take a cubic box of side $L$ with $N$ molecules, each of mass $m$. Look at one molecule moving along the $x$-axis with velocity $u_{1}$.

  • one collision with the right wall: velocity reverses to $-u_{1}$, change in momentum 动量 $\Delta p_{x} = -2 m u_{1}$. By Newton's third law the wall gets an impulse 冲量 of $+2 m u_{1}$.
  • time between hits on that wall: travel $2L$ there and back, so $\Delta t = 2L/u_{1}$.
  • average force from this molecule: $F_{1} = \Delta p / \Delta t = m u_{1}^{2} / L$.
  • add over all molecules: $F = (Nm/L)\langle u_{x}^{2} \rangle$, where $\langle u_{x}^{2} \rangle$ is the mean square 均方 of the $x$-velocity.
  • pressure: $p = F/L^{2} = N m \langle u_{x}^{2} \rangle / V$.

In 3-D, by symmetry $\langle u_{x}^{2} \rangle = \tfrac{1}{3} \langle c^{2} \rangle$, where $\langle c^{2} \rangle$ is the mean-square speed 均方速率. So

$$p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$

"Explain how molecular movement causes the pressure exerted by a gas" (3 marks). The molecules move randomly and collide with the walls of the container; at each collision a molecule's momentum changes (it rebounds), so by Newton's second law the wall exerts a force on it, and by the third law it exerts an equal force on the wall; the very many collisions each second produce a steady total force on the wall, and the pressure is that force per unit area. The syllabus phrase "a simple model considering one-dimensional collisions" means the derivation above: it is sufficient to follow one molecule bouncing between two opposite faces and then average.

The density form. Since $Nm$ is the total mass of the gas and $Nm/V$ is its density $\rho$, the same result reads $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ — the version to use when a question gives a density instead of $N$ and $m$.

Worked example. An ideal gas at a pressure of $1.6 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ has a density of $1.9\ \text{kg m}^{-3}$. Show that the r.m.s. speed of its molecules is about $500\ \text{m s}^{-1}$.

$\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3p}{\rho} = \dfrac{3 \times 1.6 \times 10^{5}}{1.9} = 2.53 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, so $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{2.53 \times 10^{5}} = 503\ \text{m s}^{-1} \approx 500\ \text{m s}^{-1}$. In a "show that", keep an extra figure ($503$) before comparing with the value given.

Root-mean-square speed

The square root of $\langle c^{2} \rangle$ is the root-mean-square 均方根 (r.m.s.) speed:

$$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2} \rangle}.$$

It is a useful single measure of how fast the molecules move, slightly larger than the mean speed (squaring weights fast molecules more).

ไทย
ทฤษฎีจลน์: ความดันก๊าซ
นักดำน้ำใต้ทะเล
นักดำน้ำหายใจก๊าซอัด; ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิทั้งหมดเชื่อมโยงกัน.

ทฤษฎีจลน์ อธิบายพฤติกรรมระดับมหภาคของก๊าซจาก การเคลื่อนที่แบบสุ่ม ของโมเลกุล

สมมติฐาน

สำหรับก๊าซอุดมคติ:

  1. จำนวนมาก ของโมเลกุลชนิดเดียวกันในการเคลื่อนที่แบบสุ่มต่อเนื่อง
  2. ปริมาตรของโมเลกุลเองมีน้อยจนไม่สำคัญเมื่อเทียบกับภาชนะ
  3. เวลาของการชนแต่ละครั้งมีน้อยจนไม่สำคัญเมื่อเทียบกับเวลาระหว่างการชน
  4. แรงระหว่างโมเลกุล ถูกมองข้ามยกเว้นระหว่างการชน (โมเลกุลเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงระหว่างกัน)
  5. การชน (กับผนังและกันเอง) เป็น ยืดหยุ่น — การชนที่ยืดหยุ่น ไม่สูญเสียพลังงานจลน์, ดังนั้นก๊าซจะไม่เย็นลงด้วยตัวเอง
  6. กฎของนิวตันใช้ได้
โมเลกุลเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในกล่อง, มีป้ายกำกับสมมติฐานทฤษฎีจลน์: จำนวนมากโมเลกุลเหมือนกันในการเคลื่อนที่แบบสุ่ม, ปริมาตรของตัวเองเล็กน้อย, ไม่มีแรงระหว่างการชน, และการชนที่ยืดหยุ่น
สมมติฐานสำคัญของทฤษฎีจลน์ของก๊าซอุดมคติ

สมมติฐานเหล่านี้จะกลายเป็นไปไม่ได้นักที่ความดันสูงมาก (ปริมาตรของโมเลกุลมีนัยสำคัญ) หรือที่อุณหภูมิต่ำมาก (แรงระหว่างโมเลกุลมีนัยสำคัญ)

ตามรูปแบบการถามของข้อสอบ "ระบุสมมติฐานพื้นฐานสอง (หรือสาม) ข้อของทฤษฎีจลน์": เลือกจาก โมเลกุลเคลื่อนที่แบบสุ่มอย่างต่อเนื่อง; ปริมาตรของโมเลกุลมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับปริมาตรของแก๊ส; ไม่มีแรงระหว่างโมเลกุลยกเว้นระหว่างการชน; การชนเป็นแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์; เวลาที่ใช้ในการชนมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับเวลาระหว่างการชน "อธิบายความหมายของการชนแบบยืดหยุ่น": เป็นการชนที่พลังงานจลน์รวมคงที่ (นอกจากโมเมนตัมแล้วด้วย) "ใช้สมมติฐานเพื่ออธิบายว่าทำไมแก๊สบนพื้นผิวของดาวฤกษ์ซึ่งมีความดันสูงมากจึงไม่ใช่แก๊สในอุดมคติ": โมเลกุลอยู่ใกล้กันจนปริมาตรของตัวเองมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับปริมาตรของแก๊ส และมีแรงระหว่างโมเลกุลกระทำระหว่างกัน — ซึ่งเป็นสมมติฐานทั้งสองที่ล้มเหลวเมื่อแก๊สถูกบีบอัด

ตัวอย่างวิธีทำ บาลูนมี $0.40\ \text{mol}$ ของไฮโดรเจน ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$ ต่อโมเลกุล) อยู่ใน $9.8 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. ประมาณค่าระยะห่างเฉลี่ยของโมเลกุล, แรงโน้มถ่วงระหว่างโมเลกุลเพื่อนบ้าน, และแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับสมมติฐานของทฤษฎีจลน์ที่สิ่งนี้ทดสอบ

$N = 0.40 \times 6.02 \times 10^{23} = 2.4 \times 10^{23}$ โมเลกุล ดังนั้นแต่ละโมเลกุลจะครอบคลุมพื้นที่ $V/N = 4.1 \times 10^{-26}\ \text{m}^{3}$ และระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลคือ $d = (V/N)^{1/3} = 3.4 \times 10^{-9}\ \text{m}$. แรงโน้มถ่วงระหว่างโมเลกุลสองโมเลกุลมีขนาด $F = \dfrac{Gm^{2}}{d^{2}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times (3.34 \times 10^{-27})^{2}}{(3.4 \times 10^{-9})^{2}} = 6 \times 10^{-47}\ \text{N}$ — น้อยกว่าน้ำหนักของโมเลกุลหนึ่งเองถึง $10^{20}$ เท่า ($mg = 3.3 \times 10^{-26}\ \text{N}$). แรงระหว่างโมเลกุลนั้นน้อยมากจนสามารถละเลยได้จริงๆ除了ในการชนกัน ตามที่ทฤษฎีสมมติ

ความดันของแก๊ส — สรุปการพิสูจน์

พิจารณากล่องลูกบาศก์ที่มีด้านยาว $L$里面有 $N$ โมเลกุล, แต่ละตัวมีมวล $m$. พิจารณาโมเลกุลหนึ่งตัวเคลื่อนที่ตามแกน $x$ ด้วยความเร็ว $u_{1}$.

ลูกบาศก์แก๊สด้านยาว  ที่มีโมเลกุลหนึ่งตัวแสดงกำลังเคลื่อนที่ด้วยองค์ประกอบความเร็ว  ตั้งฉากกับหน้าหนึ่งของลูกบาศก์
การพิสูจน์ความดันพิจารณาองค์ประกอบความเร็ว $u_x$ ของโมเลกุลที่ตั้งฉากกับหน้าหนึ่งของลูกบาศก์แก๊ส
  • การชนกับผนังด้านขวาหนึ่งครั้ง: ความเร็วเปลี่ยนทิศทางเป็น $-u_{1}$, การเปลี่ยนแปลงของ โมเมนตัม คือ $\Delta p_{x} = -2 m u_{1}$. ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน ผนังจะได้รับ ** импульส** จำนวน $+2 m u_{1}$.
  • เวลาระหว่างการชนกับผนังนี้: เคลื่อนที่ $2L$ ไปและกลับ, ดังนั้น $\Delta t = 2L/u_{1}$.
  • แรงเฉลี่ยจากโมเลกุลนี้: $F_{1} = \Delta p / \Delta t = m u_{1}^{2} / L$.
  • บวกผลรวมสำหรับทุกโมเลกุล: $F = (Nm/L)\langle u_{x}^{2} \rangle$, โดยที่ $\langle u_{x}^{2} \rangle$ เป็น ค่าเฉลี่ยของกำลังสอง ของความเร็ว $x$.
  • ความดัน: $p = F/L^{2} = N m \langle u_{x}^{2} \rangle / V$.

ใน 3 มิติ จากความสมมาตร $\langle u_{x}^{2} \rangle = \tfrac{1}{3} \langle c^{2} \rangle$, โดยที่ $\langle c^{2} \rangle$ เป็น ค่าเฉลี่ยของกำลังสองของความเร็ว ดังนั้น

$$p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$

"อธิบายว่าการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก่อให้เกิดความดันที่แก๊สกระทำอย่างไร" (3 คะแนน). โมเลกุลเคลื่อนที่แบบสุ่มและชนกับผนังของภาชนะ; ที่ทุกการชน โมเมนตัมของโมเลกุลจะเปลี่ยนแปลง (มันสะท้อนกลับ), ดังนั้นตามกฎข้อที่สองของนิวตัน ผนังจะ exert แรงต่อมัน, และตามกฎข้อที่สาม มันจะ exert แรงเท่ากัน反向作用于 ผนัง; การชนจำนวนมากมากในแต่ละวินาทีจะสร้างแรงรวมที่คงที่作用于 ผนัง, และความดันคือแรงนั้นต่อหน่วยพื้นที่ คำว่า "โมเดลอย่างง่ายที่พิจารณาการชนแบบหนึ่งมิติ" ของหลักสูตรหมายถึงการพิสูจน์ข้างต้น: เพียงพอที่จะติดตามโมเลกุลหนึ่งตัวที่เด้งระหว่างหน้าตรงข้ามสองหน้าแล้วหาค่าเฉลี่ย

รูปแบบความหนาแน่น. เนื่องจาก $Nm$ คือมวลรวมของแก๊ส และ $Nm/V$ คือความหนาแน่น $\rho$ ของมัน ผลลัพธ์เดียวกันจะเขียนได้ว่า $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ — รูปแบบที่ใช้เมื่อโจทย์กำหนดความหนาแน่นมาแทน $N$ และ $m$

ตัวอย่างวิธีทำ แก๊สในอุดมคติที่ความดัน $1.6 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ มีความหนาแน่น $1.9\ \text{kg m}^{-3}$. แสดงให้เห็นว่าความเร็ว r.m.s. ของโมเลกุลของมันประมาณ $500\ \text{m s}^{-1}$.

$\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3p}{\rho} = \dfrac{3 \times 1.6 \times 10^{5}}{1.9} = 2.53 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, ดังนั้น $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{2.53 \times 10^{5}} = 503\ \text{m s}^{-1} \approx 500\ \text{m s}^{-1}$. ในข้อ "show that", เก็บตัวเลขเพิ่มอีกหนึ่งหลัก ($503$) ก่อนที่จะเปรียบเทียบกับค่าที่กำหนดให้

ความเร็ว root-mean-square

รากที่สองของ $\langle c^{2} \rangle$ คือ ความเร็ว root-mean-square (r.m.s.):

$$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2} \rangle}.$$

มันเป็นตัวชี้วัดเดียวที่มีประโยชน์สำหรับบอกถึงความเร็วของโมเลกุล ซึ่งมากกว่าความเร็วเฉลี่ยเล็กน้อย (การยกกำลังสองให้ความสำคัญกับโมเลกุลที่มีความเร็วสูงมากขึ้น)

ความเร็ว root-mean-square สร้างขึ้นสี่ขั้นตอน:取ความเร็ว, ยกกำลังสองแต่ละค่า, หาค่าเฉลี่ยของกำลังสอง, แล้ว取其根号
ความเร็ว root-mean-square: ยกกำลังสองความเร็วแต่ละค่า, หาค่าเฉลี่ย, แล้ว取其根号
การแจกแจง Maxwell-Boltzmann ของความเร็วโมเลกุล: ที่อุณหภูมิต่ำกว่ากราฟจะสูงและแคบ; ที่อุณหภูมิสูงกว่ากราฟจะกว้างและเลื่อนไปทางความเร็วสูงขึ้น. ความเร็ว root-mean-square ถูกทำเครื่องหมายไว้
การกระจายของความเร็วโมเลกุล: อุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้กราฟกว้างและเลื่อนไปทางความเร็วสูงขึ้น
กราฟร่างสองเส้น: ค่าเฉลี่ยของกำลังสองของความเร็วเทียบกับอุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกเป็นเส้นตรงผ่านจุดกำเนิด, เปรียบกว่าสำหรับแก๊สที่มีมวลน้อยกว่า; ความเร็ว r.m.s. เทียบกับอุณหภูมิเป็นโค้งผ่านจุดorigin ยกขึ้นตามรากที่สองของ T
กราฟสองเส้นที่ข้อสอบขอให้คุณวาด: $\langle c^{2}\rangle \propto T$ เป็นเส้นตรงผ่านจุด origin, ดังนั้น $c_{\text{r.m.s.}}$ จะเพิ่มขึ้นตาม $\sqrt{T}$
Explore · ⁨สำรวจ⁩

Boyle's law · ⁨กฎของบอยล์⁩

p ∝ 1/V

At constant temperature, pressure is inversely proportional to volume — squash the gas and the pressure rises. · ⁨ที่อุณหภูมิคงที่ ความแปรผกผันกับความดัน — บีบแก๊สให้เล็กลง ความดันจะสูงขึ้น⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ โมเลกุล
molar mass/ˈməʊlə mæs/ มวลโมลาร์
equation of state/ɪˈkweɪʒn ɒv steɪt/ สมการสถานะ
ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ แก๊สอุดมคติ
pressure/ˈpreʃə/ ความดัน
thermodynamic temperature/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪk ˈtemprɪtʃə/ อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์
volume/ˈvɒljuːm/ ปริมาตร
molar gas constant/ˈməʊlə ɡæs ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่แก๊สโมลาร์
Boltzmann constant/ˈbɒltsmən ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่โบลต์ซมันน์
mean-square speed/miːn skweə spiːd/ ความเร็วกำลังสองเฉลี่ย
internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ พลังงานภายใน
Boyle's law/bɔɪlz lɔː/ กฎของบอยล์
Charles's law/ˈtʃɑːlzɪz lɔː/ กฎของชาร์ลส์
pressure law/ˈpreʃə lɔː/ กฎความดัน
kinetic theory/kɪˈnetɪk ˈθɪəri/ ทฤษฎีจลน์
random motion/ˈrændəm ˈməʊʃn/ การเคลื่อนที่สุ่ม
intermolecular/ˌɪntəməˈlekjʊlə/ ระหว่างโมเลกุล
elastic collision/ɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ การชนแบบยืดหยุ่น
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
momentum/məʊˈmentəm/ โมเมนตัม
impulse/ˈɪmpʌls/ สัญญาณ
mean square/miːn skweə/ กำลังสองของค่าเฉลี่ย
root-mean-square/ruːt miːn skweə/ รากที่สองของกำลังสองเฉลี่ย
average translational kinetic energy/ˈævrɪdʒ trænˈsleɪʃənl kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เชิงเส้นเฉลี่ย
translational kinetic energy/trænˈsleɪʃənl kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์แบบเลื่อนตัว
Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
15.3

Average translational kinetic energy · ⁨พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เชิงเฉลี่ย⁩

English

Compare the two expressions for $pV$:

$$p V = N k T \quad\text{and}\quad p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$

Set them equal, cancel $N$, and multiply by $\tfrac{3}{2}$:

$$\tfrac{3}{2} k T = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle.$$

The right side is the average translational kinetic energy 平动动能 $\langle E_{\text{k}} \rangle$ of one molecule. So

$$\langle E_{\text{k}} \rangle = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle = \tfrac{3}{2} k T.$$

This is a key result: the average translational kinetic energy of an ideal-gas molecule depends only on the thermodynamic temperature, not on the type of gas or its pressure.

Worked example. Find the root-mean-square speed of oxygen molecules at $300\ \text{K}$. (Mass of one $\text{O}_{2}$ molecule $= 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.)

From $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, the mean-square speed is $\langle c^{2}\rangle = 3kT/m$:

$$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\frac{3kT}{m}} = \sqrt{\frac{3 (1.38 \times 10^{-23})(300)}{5.3 \times 10^{-26}}} \approx 480\ \text{m s}^{-1}.$$

Worked example. The surface of the Moon reaches about $400\ \text{K}$ in sunlight. Calculate the r.m.s. speed of hydrogen molecules ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) at this temperature, and use the Moon's escape speed of $2.4\ \text{km s}^{-1}$ to suggest why the Moon has no hydrogen atmosphere.

$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\dfrac{3kT}{m}} = \sqrt{\dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 400}{3.34 \times 10^{-27}}} = 2.2 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}$. This r.m.s. speed is close to the escape speed, and the speeds are spread widely about it, so a large fraction of the molecules move faster than $2.4\ \text{km s}^{-1}$ at any moment and escape; over time the hydrogen is lost.

Worked example. The gas at the surface of a star is mainly hydrogen atoms ($m = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) with an r.m.s. speed of $9300\ \text{m s}^{-1}$. Find the temperature of the surface.

$T = \dfrac{m\langle c^{2}\rangle}{3k} = \dfrac{1.67 \times 10^{-27} \times 9300^{2}}{3 \times 1.38 \times 10^{-23}} = 3.5 \times 10^{3}\ \text{K}$.

Worked example. For a fixed sample of gas, a graph of $pV$ against $kT$ is a straight line through the origin of gradient $7.2 \times 10^{22}$. When $pV = 270\ \text{J}$ the r.m.s. speed of the molecules is $1900\ \text{m s}^{-1}$. Find the number of molecules and the mass of one molecule in u.

From $pV = NkT$ the gradient is $N = 7.2 \times 10^{22}$. From $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$: $m = \dfrac{3pV}{N\langle c^{2}\rangle} = \dfrac{3 \times 270}{7.2 \times 10^{22} \times 1900^{2}} = 3.1 \times 10^{-27}\ \text{kg} = \dfrac{3.1 \times 10^{-27}}{1.66 \times 10^{-27}} = 1.9\ \text{u}$ — hydrogen molecules, within the rounding.

Comparing gases and samples. At the same temperature every gas has the same average kinetic energy per molecule, so $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$: hydrogen ($M_{\text{m}} = 2$) and oxygen ($M_{\text{m}} = 32$) have $\dfrac{c_{\text{H}}}{c_{\text{O}}} = \sqrt{\dfrac{32}{2}} = 4$. Two samples at the same $T$ — X with $N$ molecules of mass $m$ in volume $V$, Y with $2N$ molecules of mass $2m$ in volume $2V$ — have the same pressure ($p = NkT/V$ and both $N$ and $V$ double), the same average kinetic energy per molecule, but Y's molecules have half the mean-square speed ($3kT/2m$) and Y has twice the internal energy (twice as many molecules).

Consequences

  • doubling the absolute temperature doubles the average KE of each molecule, so $\langle c^{2} \rangle$ doubles and $c_{\text{r.m.s.}}$ grows by $\sqrt{2}$.
  • for two gases at the same temperature, the lighter gas has a larger $\langle c^{2} \rangle$. Hydrogen molecules move faster on average than oxygen molecules in the same room.
  • total translational KE of $N$ molecules: $\tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T$.

Internal energy of an ideal gas

For an ideal gas the molecules are point particles with no intermolecular potential energy and (in this simple model) no rotation or vibration. So the internal energy 内能 is just the total kinetic energy 动能:

$$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$

So the internal energy of an ideal gas is proportional to the thermodynamic temperature — doubling $T$ doubles $U$.

As the exam asks it. "Use one of the basic assumptions to explain what can be deduced about the potential energy of the molecules": there are no forces between the molecules (except in collisions), so there is no potential energy associated with their separation — the random-motion energy is entirely kinetic. "Explain why the internal energy of an ideal gas is directly proportional to thermodynamic temperature" (2 marks): the internal energy is the sum of the kinetic and potential energies of the molecules; the potential energy is zero (no intermolecular forces), and the average kinetic energy of a molecule is $\tfrac{3}{2}kT$, proportional to $T$; so the total, $U = \tfrac{3}{2}NkT$, is proportional to $T$. "Derive $\tfrac{3}{2}kT$" (2 marks): equate $pV = NkT$ with $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$, cancel $N$, and rearrange to $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$ — show the cancelling and the factor of $\tfrac{3}{2}$.

Worked example. A sample of $0.26\ \text{m}^{3}$ of an ideal gas is at $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ and $290\ \text{K}$. Find the number of molecules, the average translational kinetic energy of a molecule, and the internal energy of the gas.

$N = \dfrac{pV}{kT} = \dfrac{2.0 \times 10^{5} \times 0.26}{1.38 \times 10^{-23} \times 290} = 1.3 \times 10^{25}$. $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT = 1.5 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 290 = 6.0 \times 10^{-21}\ \text{J}$. $U = N\langle E_{\text{k}}\rangle = 1.3 \times 10^{25} \times 6.0 \times 10^{-21} = 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$ — or directly $U = \tfrac{3}{2}pV = 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$, a neat check.

Changing pressure at fixed temperature

Doubling $p$ at fixed $T$ (by squeezing the gas to half its volume) does not change $\langle E_{\text{k}} \rangle$ — that depends only on $T$. There are more wall collisions per second, but each molecule has the same average kinetic energy.

ไทย

เปรียบเทียบสูตรสองสูตรของ $pV$:

$$p V = N k T \quad\text{and}\quad p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$

ตั้งให้เท่ากัน, ตัด $N$ ทิ้ง, และคูณด้วย $\tfrac{3}{2}$:

$$\tfrac{3}{2} k T = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle.$$

ฝั่งขวาคือ พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เชิงเฉลี่ย $\langle E_{\text{k}} \rangle$ ของโมเลกุลหนึ่งตัว ดังนั้น

$$\langle E_{\text{k}} \rangle = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle = \tfrac{3}{2} k T.$$

นี่เป็นผลลัพธ์ที่สำคัญ: พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เชิงเฉลี่ยของโมเลกุลแก๊สในอุดมคติขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกเท่านั้น ไม่ใช่ชนิดของแก๊สหรือความดันของมัน

เส้นตรงผ่านจุดกำเนิดของพลังงานจลน์เฉลี่ยเทียบกับอุณหภูมิ แสดงให้เห็นว่าพลังงานจลน์เฉลี่ยแปรผันตรงกับอุณหภูมิต่อมัย
พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลแปรผันตรงกับอุณหภูมิต่อมัย: $\langle E_k \rangle = \tfrac32 kT$

ตัวอย่างที่แสดงวิธีทำ. หาความเร็ว root-mean-square ของโมเลกุลออกซิเจนที่ $300\ \text{K}$. (มวลของ $\text{O}_{2}$ โมเลกุล $= 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.)

จาก $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$ ความเร็วกำลังสองเฉลี่ยคือ $\langle c^{2}\rangle = 3kT/m$:

$$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\frac{3kT}{m}} = \sqrt{\frac{3 (1.38 \times 10^{-23})(300)}{5.3 \times 10^{-26}}} \approx 480\ \text{m s}^{-1}.$$

ตัวอย่างที่แสดงวิธีทำ. พื้นผิวของดวงจันทร์มีอุณหภูมิประมาณ $400\ \text{K}$ ในแสงแดด. จงคำนวณความเร็ว r.m.s. ของโมเลกุลไฮโดรเจน ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) ที่อุณหภูมินี้ และใช้ความเร็วหนีจากดวงจันทร์ที่ $2.4\ \text{km s}^{-1}$ เพื่ออธิบายว่าทำไมดวงจันทร์จึงไม่มีชั้นบรรยากาศไฮโดรเจน.

$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\dfrac{3kT}{m}} = \sqrt{\dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 400}{3.34 \times 10^{-27}}} = 2.2 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}$. ความเร็ว r.m.s. นี้ใกล้เคียงกับความเร็วหนีมาก และความเร็วกระจายตัวกว้างรอบค่านี้ ดังนั้นโมเลกุลจำนวนมากจึงเคลื่อนที่เร็วกว่า $2.4\ \text{km s}^{-1}$ ในทุกช่วงเวลาและหลุดออกมา; เมื่อเวลาผ่านไป ไฮโดรเจนจะหายไป.

ตัวอย่างที่แสดงวิธีทำ. ก๊าซที่พื้นผิวของดาวฤกษ์ประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจนเป็นหลัก ($m = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) โดยมีความเร็ว r.m.s. เท่ากับ $9300\ \text{m s}^{-1}$. จงหาอุณหภูมิของพื้นผิว.

$T = \dfrac{m\langle c^{2}\rangle}{3k} = \dfrac{1.67 \times 10^{-27} \times 9300^{2}}{3 \times 1.38 \times 10^{-23}} = 3.5 \times 10^{3}\ \text{K}$.

ตัวอย่างที่แสดงวิธีทำ. สำหรับตัวอย่างก๊าซจำนวนคงที่ กราฟของ $pV$ เทียบกับ $kT$ เป็นเส้นตรงผ่านจุดกำเนิดที่มีความชัน $7.2 \times 10^{22}$. เมื่อ $pV = 270\ \text{J}$ ความเร็ว r.m.s. ของโมเลกุลคือ $1900\ \text{m s}^{-1}$. จงหาจำนวนโมเลกุลและมวลของโมเลกุลหนึ่งโมเลกุลในหน่วย u.

จาก $pV = NkT$ ความชันคือ $N = 7.2 \times 10^{22}$. จาก $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$: $m = \dfrac{3pV}{N\langle c^{2}\rangle} = \dfrac{3 \times 270}{7.2 \times 10^{22} \times 1900^{2}} = 3.1 \times 10^{-27}\ \text{kg} = \dfrac{3.1 \times 10^{-27}}{1.66 \times 10^{-27}} = 1.9\ \text{u}$ — โมเลกุลไฮโดรเจน ซึ่งสอดคล้องภายในช่วงการปัดเศษ.

เปรียบเทียบก๊าซและตัวอย่าง. ที่อุณหภูมิเดียวกัน ก๊าซทุกชนิดจะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลเท่ากัน ดังนั้น $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$: ไฮโดรเจน ($M_{\text{m}} = 2$) และออกซิเจน ($M_{\text{m}} = 32$) จึงมี $\dfrac{c_{\text{H}}}{c_{\text{O}}} = \sqrt{\dfrac{32}{2}} = 4$. ตัวอย่างสองตัวอย่างที่ $T$ เดียวกัน — X มี $N$ โมเลกุล มวล $m$ ในปริมาตร $V$, Y มี $2N$ โมเลกุล มวล $2m$ ในปริมาตร $2V$ — มี ความดันเท่ากัน ($p = NkT/V$ และทั้งสอง $N$ และ $V$ เป็นสองเท่า), มีพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลเท่ากัน แต่โมเลกุลของ Y มีความเร็วกำลังสองเฉลี่ยเป็นครึ่งหนึ่งของ X ($3kT/2m$) และมีพลังงานภายในเป็นสองเท่า (มีจำนวนโมเลกุลเป็นสองเท่า).

ผลกระทบ

  • การเพิ่มอุณหภูมิต่อมัยเป็นสองเท่าจะทำให้พลังงานจลน์เฉลี่ย ของแต่ละโมเลกุลเป็นสองเท่า ดังนั้น $\langle c^{2} \rangle$ จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าและ $c_{\text{r.m.s.}}$ จะเพิ่มขึ้นตาม $\sqrt{2}$.
  • สำหรับ ก๊าซสองชนิดที่อุณหภูมิเดียวกัน ก๊าซที่มีมวลน้อยกว่าจะมี $\langle c^{2} \rangle$ ที่มากกว่า. โมเลกุลไฮโดรเจนเคลื่อนที่เร็วกว่าโมเลกุลออกซิเจนโดยเฉลี่ยในห้องเดียวกัน.
  • พลังงานจลน์การเคลื่อนที่แบบถ่วงรวม ของ $N$ โมเลกุล: $\tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T$.

พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติ

สำหรับก๊าซอุดมคติ โมเลกุลถือเป็นอนุภาคจุดที่ไม่มีพลังงานศักย์ระหว่างโมเลกุล และ (ในโมเดลพื้นฐานนี้) ไม่มีการหมุนหรือสั่นสะเทือน. ดังนั้น พลังงานภายใน จึงเป็นเพียง พลังงานจลน์รวม เท่านั้น:

$$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$

ดังนั้น พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติแปรผันตรงกับอุณหภูมิต่อมัย — การเพิ่ม $T$ เป็นสองเท่าจะทำให้ $U$ เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าด้วย.

รูปแบบที่ข้อสอบถาม. "ใช้สมมติฐานพื้นฐานหนึ่งเพื่ออธิบายสิ่งที่สามารถสรุปได้เกี่ยวกับพลังงานศักย์ของโมเลกุล": ไม่มี แรงกระทำระหว่างโมเลกุล (ยกเว้นในการชนกัน) ดังนั้นจึงไม่มี พลังงานศักย์ ที่เกี่ยวข้องกับระยะห่างระหว่างพวกมัน — พลังงานจากการเคลื่อนที่สุ่มเป็นพลังงานจลน์ทั้งหมด. "อธิบายว่าทำไมพลังงานภายในของก๊าซอุดมคติจึงแปรผันตรงกับอุณหภูมิต่อมัย" (2 คะแนน): พลังงานภายในคือผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุล; พลังงานศักย์เป็นศูนย์ (ไม่มีแรงระหว่างโมเลกุล) และพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลคือ $\tfrac{3}{2}kT$, แปรผันตรงกับ $T$; ดังนั้นผลรวมทั้งหมด $U = \tfrac{3}{2}NkT$ จึงแปรผันตรงกับ $T$. "หาค่า $\tfrac{3}{2}kT$" (2 คะแนน): ตั้ง $pV = NkT$ เท่ากับ $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$, ตัด $N$ ออก แล้วจัดรูปใหม่เป็น $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$ — แสดงการตัดออกและตัวคูณ $\tfrac{3}{2}$.

ตัวอย่างที่แสดงวิธีทำ. ตัวอย่าง $0.26\ \text{m}^{3}$ ของก๊าซอุดมคติอยู่ที่ $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ และ $290\ \text{K}$. จงหาจำนวนโมเลกุล, พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เฉลี่ยต่อโมเลกุล และพลังงานภายในของก๊าซ.

$N = \dfrac{pV}{kT} = \dfrac{2.0 \times 10^{5} \times 0.26}{1.38 \times 10^{-23} \times 290} = 1.3 \times 10^{25}$. $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT = 1.5 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 290 = 6.0 \times 10^{-21}\ \text{J}$. $U = N\langle E_{\text{k}}\rangle = 1.3 \times 10^{25} \times 6.0 \times 10^{-21} = 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$ — หรือคำนวณโดยตรงจาก $U = \tfrac{3}{2}pV = 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$ เพื่อตรวจสอบความถูกต้อง.

การเปลี่ยนความดันที่อุณหภูมิคงที่

การเพิ่ม $p$ เป็นสองเท่าที่ $T$ คงที่ (ด้วยการบีบแก๊สให้มีปริมาตรครึ่งหนึ่ง) จะ ไม่ เปลี่ยนแปลง $\langle E_{\text{k}} \rangle$ — ซึ่งขึ้นอยู่กับ $T$ เท่านั้น มีจำนวนการชนกับผนังต่อวินาทีมากขึ้น แต่แต่ละโมเลกุลมีพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่าเดิม

15.3

Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

English

A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

Term Definition
mole the amount of substance containing a number of particles equal to the Avogadro constant
Avogadro constant the number of atoms or molecules in one mole of a substance, $6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$
ideal gas a gas that obeys $pV = nRT$ (equivalently $pV \propto T$, $T$ thermodynamic) at all values of $p$, $V$ and $T$
Boltzmann constant the gas constant per molecule, $k = R/N_{\text{A}}$
elastic collision a collision in which the total kinetic energy is conserved
mean-square speed the mean of the squares of the speeds of the molecules, $\langle c^{2}\rangle$
root-mean-square speed the square root of the mean-square speed, $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2}\rangle}$
average translational kinetic energy of a molecule $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, depending only on thermodynamic temperature
internal energy of an ideal gas the total kinetic energy of its molecules, $\tfrac{3}{2}NkT$, since there is no potential energy
ไทย

คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

พจน์ นิยาม
摩尔 ปริมาณสารที่มีจำนวนอนุภาคเท่ากับค่า Avogadro constant
ค่า Avogadro จำนวนอะตอมหรือโมเลกุลใน 1摩尔 ของสาร, $6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$
ก๊าซอุดมคติ ก๊าซที่ปฏิบัติตาม $pV = nRT$ (เทียบเท่ากับ $pV \propto T$, $T$ ต่อมัย) ที่ทุกค่าของ $p$, $V$ และ $T$
ค่า Boltzmann ค่าคงที่ก๊าซต่อโมเลกุล, $k = R/N_{\text{A}}$
การชนแบบยืดหยุ่น การชนที่พลังงานจลน์รวมถูกอนุรักษ์ไว้
ความเร็วกำลังสองเฉลี่ย ค่าเฉลี่ยของกำลังสองของความเร็วของโมเลกุล, $\langle c^{2}\rangle$
ความเร็ว root-mean-square รากที่สองของความเร็วกำลังสองเฉลี่ย, $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2}\rangle}$
พลังงานจลน์การเคลื่อนที่แบบเลื่อนของโมเลกุล $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์เท่านั้น
พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติ พลังงานจลน์รวมของโมเลกุล, $\tfrac{3}{2}NkT$, เนื่องจากไม่มีพลังงานศักย์
Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่อาโวกาโดร
atom/ˈætəm/ อะตอม
monatomic/ˌmɒnəˈtɒmɪk/ อะตอมเดี่ยว
15.3

Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

English
  • Use $pV = nRT$ ($n$ in mol) or $pV = NkT$ ($N$ molecules), with temperature in kelvin and volume in $\text{m}^{3}$ ($1\ \text{cm}^{3} = 10^{-6}\ \text{m}^{3}$).
  • Learn the kinetic-theory assumptions word for word (random motion, negligible molecular volume, no intermolecular forces except in collisions, elastic collisions, negligible collision time), and know which two fail at high pressure.
  • Mean translational KE $= \frac{3}{2}kT$ — it depends only on temperature; at the same $T$ a lighter molecule is faster, $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$.
  • For a "show that" about pressure, give the chain: collisions with the wall, change of momentum, force (Newton's second and third laws), force per unit area.
  • $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ when a density is given; $U = \tfrac{3}{2}NkT = \tfrac{3}{2}pV$ when the internal energy is asked.

Common mistakes

  • Using °C in $pV = nRT$ or in $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$. Convert first; a temperature ratio only works in kelvin.
  • Defining an ideal gas by "obeys $pV = nRT$" alone. Add "at all values of $p$, $V$ and $T$".
  • Confusing $n$ (moles) with $N$ (molecules), or $R$ with $k$. $N = nN_{\text{A}}$ and $k = R/N_{\text{A}}$.
  • Giving "molecules move randomly" as the reason for pressure. The mark is for the change of momentum at the wall and the resulting force per unit area.
  • Sketching $c_{\text{r.m.s.}}$ against $T$ as a straight line. $\langle c^{2}\rangle$ is linear in $T$; $c_{\text{r.m.s.}}$ rises as $\sqrt{T}$.
  • Saying a molecule's kinetic energy changes when the pressure is doubled at constant temperature. Only the number of collisions per second changes.
ไทย
  • ใช้ $pV = nRT$ ($n$ ใน mol) หรือ $pV = NkT$ ($N$ โมเลกุล), โดยอุณหภูมิอยู่ใน เคลวิน และปริมาตรอยู่ใน $\text{m}^{3}$ ($1\ \text{cm}^{3} = 10^{-6}\ \text{m}^{3}$).
  • จำ สมมติฐานทฤษฎีจลน์ เป็นคำต่อคำ (การเคลื่อนที่สุ่ม, ปริมาตรโมเลกุลน้อยมาก, ไม่มีแรงระหว่างโมเลกุลยกเว้นในการชน, การชนแบบยืดหยุ่น, เวลาการชนน้อยมาก) และรู้ว่าข้อใดสองข้อล้มเหลวที่ความดันสูง.
  • พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เฉลี่ย $= \frac{3}{2}kT$ — มันขึ้นอยู่กับ อุณหภูมิเท่านั้น; ที่ $T$ เดียวกัน โมเลกุลที่มีมวลน้อยกว่าจะเคลื่อนที่เร็วกว่า, $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$.
  • สำหรับข้อ "พิสูจน์" เกี่ยวกับความดัน ให้แสดงลำดับ: การชนกับผนัง, การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัม, แรง (กฎที่สองและที่สามของนิวตัน), แรงต่อหน่วยพื้นที่
  • ใช้ $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ เมื่อโจทย์กำหนดความหนาแน่น; ใช้ $U = \tfrac{3}{2}NkT = \tfrac{3}{2}pV$ เมื่อโจทย์ถามถึงพลังงานภายใน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • การใช้ °C ใน $pV = nRT$ หรือใน $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$ ต้องแปลงหน่วยก่อน; อัตราส่วนอุณหภูมิใช้ได้ในหน่วยเคลวินเท่านั้น
  • การนิยามแก๊สอุดมคติเพียงว่า "ปฏิบัติตาม $pV = nRT$" เพียงอย่างเดียว เพิ่มคำว่า "ที่ทุกค่าของ $p$, $V$ และ $T$"
  • สับสนระหว่าง $n$ (โมล) กับ $N$ (โมเลกุล), หรือ $R$ กับ $k$. $N = nN_{\text{A}}$ และ $k = R/N_{\text{A}}$。
  • การอธิบายความดันด้วยเหตุผลว่า "โมเลกุลเคลื่อนที่แบบสุ่ม" คะแนนจะเน้นที่การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมที่ผนังและแรงที่เกิดขึ้นต่อหน่วยพื้นที่
  • การวาดกราฟ $c_{\text{r.m.s.}}$ เทียบกับ $T$ เป็นเส้นตรง $\langle c^{2}\rangle$ เป็นเชิงเส้นใน $T$; $c_{\text{r.m.s.}}$ เพิ่มขึ้นเมื่อ $\sqrt{T}$。
  • การอ้างว่าพลังงานจลน์ของโมเลกุลเปลี่ยนไปเมื่อความดันเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าที่อุณหภูมิคงที่ ความเร็วของการชนต่อวินาทีเท่านั้นที่เปลี่ยนไป

Interactive lessons on this topic · ⁨บทเรียนเชิงโต้ตอบสำหรับหัวข้อนี้⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ทำทีละขั้นตอน พร้อมแบบฝึกหัดตรวจสอบผลทันที⁩

Past Papers · ⁨ข้อสอบย้อนหลัง⁩

More topics in A-Level Physics · ⁨Physics A-Level⁩ · ⁨หัวข้อเพิ่มเติมใน A-Level Physics · ⁨Physics A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨เข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชี⁩

IGCSE, A-Level & AP