高校物理 熱力学 ~ 気体分子の運動
気体の圧力 (gas pressure)
p = \frac{F}{S}
$$
ボイル・シャルルの法則 (Boyle-Charles’s law)
\frac{pV}{T} = \text{const.} \\
\\
\frac{p_1 V_1}{T_1} = \frac{p_2 V_2}{T_2}
\end{eqnarray*}
\frac{p_1 V_1}{T_1} = \frac{p_2 V_2}{T_2}
理想気体の状態方程式 (equation of state of ideal gas)
pV = nRT
$$
気体の圧力 (gas pressure)
P = \frac{N m \overline{v^2}}{3V}
$$
速さの2乗平均 (root mean square velocity)
\overline{v^2} &=& \frac{v_1^2 + v_2^2 + \cdots + v_N^2}{N} \\
\\
\overline{v_x^2} &=& \frac{v_{1x}^2 + v_{2x}^2 + \cdots + v_{Nx}^2}{N} \\
\\
v_i^2 &=& v_{ix}^2 + v_{iy}^2 + v_{iz}^2 \\
\\
\overline{v^2} &=& \frac{v_1^2 + v_2^2 + \cdots + v_N^2}{N} \\
\\
&=& \frac{1}{N}{(v_{1x}^2 + v_{2x}^2 + \cdots + v_{Nx}^2) + (v_{1y}^2 + v_{2y}^2 + \cdots + v_{Ny}^2) + (v_{1z}^2 + v_{2z}^2 + \cdots + v_{Nz}^2)} \\
\\
&=& \overline{v_x^2} + \overline{v_y^2} + \overline{v_z^2} \\
\\
&=& 3 \overline{v_x^2} \\
\\
\overline{v_x^2} &=& \frac{\overline{v^2}}{3}
\end{eqnarray*}
\overline{v_x^2} &=& \frac{v_{1x}^2 + v_{2x}^2 + \cdots + v_{Nx}^2}{N}
v_i^2 &=& v_{ix}^2 + v_{iy}^2 + v_{iz}^2
\overline{v^2} &=& \frac{v_1^2 + v_2^2 + \cdots + v_N^2}{N}
&=& \frac{1}{N}{(v_{1x}^2 + v_{2x}^2 + \cdots + v_{Nx}^2) + (v_{1y}^2 + v_{2y}^2 + \cdots + v_{Ny}^2) + (v_{1z}^2 + v_{2z}^2 + \cdots + v_{Nz}^2)}
&=& \overline{v_x^2} + \overline{v_y^2} + \overline{v_z^2}
&=& 3 \overline{v_x^2}
\overline{v_x^2} &=& \frac{\overline{v^2}}{3}
分子の運動エネルギー
\overline{\frac{1}{2} mv^2} &=& \frac{1}{N} \left( \frac{1}{2} mv_1^2 + \frac{1}{2} mv_2^2 + \cdots + \frac{1}{2} mv_N^2 \right) = \frac{1}{2} m \overline{v^2} \\
\\
N \cdot \frac{1}{2} m \overline{v^2} &=& n \cdot \frac{3}{2} RT \\
\\
\frac{1}{2} m \overline{v^2} &=& \frac{3}{2} \frac{R}{N_\text{A}} T = \frac{3}{2} kT
\end{eqnarray*}
N \cdot \frac{1}{2} m \overline{v^2} &=& n \cdot \frac{3}{2} RT
\frac{1}{2} m \overline{v^2} &=& \frac{3}{2} \frac{R}{N_\text{A}} T = \frac{3}{2} kT
ボルツマン定数 (Boltzman constant)
k = \frac{R}{N_\text{A}} = \frac{8.31 \ \mbox{J/(mol} \cdot \mbox{K)}}{6.02 \times 10^{23} \ \mbox{1/mol}} \fallingdotseq 1.38 \times 10^{-23} \ \mbox{J/K}
$$
2乗平均速度 (root mean square velocity)
\sqrt{\overline{v^2}} = \sqrt{\frac{3RT}{N_\text{A} m}} = \sqrt{\frac{3RT}{M}}
$$
気体の内部エネルギー (internal energy of gas)
K &=& \frac{3}{2} nRT \ (\text{単原子分子 monoatomic molecule}) \\
\\
K &=& \frac{3}{2} nRT + nRT = \frac{5}{2} nRT \ (\text{二原子分子 diatomic molecule})
\end{eqnarray*}
K &=& \frac{3}{2} nRT + nRT = \frac{5}{2} nRT \ (\text{二原子分子 diatomic molecule})
気体が外部にする仕事
W &=& pS \cdot L \\
\\
&=& p \cdot SL \\
\\
&=& p \cdot (V_2 – V_2) \\
\\
&=& p \Delta V
\end{eqnarray*}
&=& p \cdot SL
&=& p \cdot (V_2 – V_2)
&=& p \Delta V
定積モル比熱 (molar heat at constant volume)
Q_V = n C_V \Delta T
$$
定圧モル比熱 (molar heat at constant pressure)
Q_p = n C_p \Delta T
$$
理想気体の内部エネルギー
\Delta U &=& n C_V \Delta T \\
\\
U &=& n C_V T
\end{eqnarray*}
U = n C_V T
マイヤーの関係 (Mayer relation)
C_p = C_V +R
$$
理想気体のモル比熱
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})
\end{eqnarray*}
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 = \frac{W’}{Q_1} = \frac{Q_1 – Q_2}{Q_1}
$$
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