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高校物理 熱力学 ~ 気体分子の運動

気体の圧力 (gas pressure)

p=FS
p = \frac{F}{S}

ボイル・シャルルの法則 (Boyle-Charles’s law)

pVT=const.p1V1T1=p2V2T2
\frac{pV}{T} = \text{const.}

\frac{p_1 V_1}{T_1} = \frac{p_2 V_2}{T_2}

理想気体の状態方程式 (equation of state of ideal gas)

pV=nRT
pV = nRT

気体の圧力 (gas pressure)

P=Nm¯v23V
P = \frac{N m \overline{v^2}}{3V}

速さの2乗平均 (root mean square velocity)

¯v2=v21+v22++v2NN¯v2x=v21x+v22x++v2NxNv2i=v2ix+v2iy+v2iz¯v2=v21+v22++v2NN=1N(v21x+v22x++v2Nx)+(v21y+v22y++v2Ny)+(v21z+v22z++v2Nz)=¯v2x+¯v2y+¯v2z=3¯v2x¯v2x=¯v23
\overline{v^2} &=& \frac{v_1^2 + v_2^2 + \cdots + v_N^2}{N}

\overline{v_x^2} &=& \frac{v_{1x}^2 + v_{2x}^2 + \cdots + v_{Nx}^2}{N}

v_i^2 &=& v_{ix}^2 + v_{iy}^2 + v_{iz}^2

\overline{v^2} &=& \frac{v_1^2 + v_2^2 + \cdots + v_N^2}{N}

&=& \frac{1}{N}{(v_{1x}^2 + v_{2x}^2 + \cdots + v_{Nx}^2) + (v_{1y}^2 + v_{2y}^2 + \cdots + v_{Ny}^2) + (v_{1z}^2 + v_{2z}^2 + \cdots + v_{Nz}^2)}

&=& \overline{v_x^2} + \overline{v_y^2} + \overline{v_z^2}

&=& 3 \overline{v_x^2}

\overline{v_x^2} &=& \frac{\overline{v^2}}{3}

分子の運動エネルギー

¯12mv2=1N(12mv21+12mv22++12mv2N)=12m¯v2N12m¯v2=n32RT12m¯v2=32RNAT=32kT
\overline{\frac{1}{2} mv^2} &=& \frac{1}{N} \left( \frac{1}{2} mv_1^2 + \frac{1}{2} mv_2^2 + \cdots + \frac{1}{2} mv_N^2 \right) = \frac{1}{2} m \overline{v^2}

N \cdot \frac{1}{2} m \overline{v^2} &=& n \cdot \frac{3}{2} RT

\frac{1}{2} m \overline{v^2} &=& \frac{3}{2} \frac{R}{N_\text{A}} T = \frac{3}{2} kT

ボルツマン定数 (Boltzman constant)

k=RNA=8.31 J/(molK)6.02×1023 1/mol1.38×1023 J/K

2乗平均速度 (root mean square velocity)

¯v2=3RTNAm=3RTM
\sqrt{\overline{v^2}} = \sqrt{\frac{3RT}{N_\text{A} m}} = \sqrt{\frac{3RT}{M}}

気体の内部エネルギー (internal energy of gas)

K=32nRT (単原子分子 monoatomic molecule)K=32nRT+nRT=52nRT (二原子分子 diatomic molecule)
K &=& \frac{3}{2} nRT \ (\text{単原子分子 monoatomic molecule})

K &=& \frac{3}{2} nRT + nRT = \frac{5}{2} nRT \ (\text{二原子分子 diatomic molecule})

気体が外部にする仕事

W=pSL=pSL=p(V2V2)=pΔV
W &=& pS \cdot L

&=& p \cdot SL

&=& p \cdot (V_2 – V_2)

&=& p \Delta V

定積モル比熱 (molar heat at constant volume)

QV=nCVΔT
Q_V = n C_V \Delta T

定圧モル比熱 (molar heat at constant pressure)

Qp=nCpΔT
Q_p = n C_p \Delta T

理想気体の内部エネルギー

ΔU=nCVΔTU=nCVT
\Delta U = n C_V \Delta T

U = n C_V T

マイヤーの関係 (Mayer relation)

Cp=CV+R
C_p = C_V +R

理想気体のモル比熱

CV=32R , Cp=52R (単原子分子 monoatomic molecule)CV=52R , Cp=72R (二原子分子 diatomic molecule)
C_V = \frac{3}{2} R \ &,& \ C_p = \frac{5}{2} R \ (\text{単原子分子 monoatomic molecule})

C_V = \frac{5}{2} R \ &,& \ C_p = \frac{7}{2} R \ (\text{二原子分子 diatomic molecule})

熱効率 (thermal efficiency)

e=WQ1=Q1Q2Q1
e = \frac{W’}{Q_1} = \frac{Q_1 – Q_2}{Q_1}

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