-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 4. Ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêàÿ òåîðèÿ èäåàëüíîãî ãàçà § 4.3. Ñðåäíåå çíà÷åíèå ñêîðîñòè òåïëîâîãî äâèæåíèÿ ìîëåêóë
Ñðåäíèå çíà÷åíèÿÏðåäïîëîæèì, ÷òî ìîëåêóëû ãàçà äâèæóòñÿ áåñïîðÿäî÷íî. Ñêîðîñòü ëþáîé ìîëåêóëû ìîæåò îêàçàòüñÿ êàê î÷åíü áîëüøîé, òàê è î÷åíü ìàëåíüêîé. Íàïðàâëåíèå äâèæåíèÿ ìîëåêóë õàîòè÷åñêè ìåíÿåòñÿ ïðè èõ ñòîëêíîâåíèÿõ äðóã ñ äðóãîì. Îá ýòîì áûëî ðàññêàçàíî â ãëàâå 2. Íàáëþäåíèå áðîóíîâñêîãî äâèæåíèÿ ñëóæèò äîêàçàòåëüñòâîì ó÷àñòèÿ ìîëåêóë â õàîòè÷åñêîì äâèæåíèè. Îäíàêî, õîòÿ äâèæåíèå îòäåëüíûõ ìîëåêóë õàîòè÷íî, ïîâåäåíèå âñåõ ìîëåêóë â öåëîì îáíàðóæèâàåò ïðîñòûå çàêîíîìåðíîñòè. Âî-ïåðâûõ, åñëè â ãàçå ïðîèçâîëüíî âûäåëèòü êàêîå-ëèáî íàïðàâëåíèå, òî ñðåäíåå ÷èñëî ìîëåêóë, äâèæóùèõñÿ â ýòîì íàïðàâëåíèè, äîëæíî ðàâíÿòüñÿ ñðåäíåìó ÷èñëó ìîëåêóë, äâèæóùèõñÿ â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè. Âåäü õàîñ â äâèæåíèè ìîëåêóë îçíà÷àåò, ÷òî íè îäíî èç íàïðàâëåíèé äâèæåíèÿ íå ÿâëÿåòñÿ ïðåèìóùåñòâåííûì. Âñå îíè ðàâíîïðàâíû. Òî÷íî òàê æå ñðåäíåå ÷èñëî ëþäåé, èäóùèõ ïî óëèöå ãîðîäà â îäíó è äðóãóþ ñòîðîíó, â ñðåäíåì çà äîñòàòî÷íî áîëüøîé ïðîìåæóòîê âðåìåíè (èëè äëÿ äîñòàòî÷íî áîëüøîé ãðóïïû ëþäåé) îäèíàêîâî. Êîíå÷íî, åñëè èñêëþ÷èòü îñîáûå ñëó÷àè âðîäå óëè÷íîãî øåñòâèÿ. Âî-âòîðûõ, ïðîñòûå çàêîíîìåðíîñòè ñïðàâåäëèâû äëÿ ñðåäíåé àðèôìåòè÷åñêîé ñêîðîñòè ìîëåêóë. Ïóñòü èìååòñÿ N ìîëåêóë. Ïðîåêöèè ñêîðîñòåé ýòèõ ìîëåêóë íà îñü X ìîãóò ïðèíèìàòü âñåâîçìîæíûå çíà÷åíèÿ: υ1x, υ2x, υ3x, ..., υNx, ïðè÷åì êàæäàÿ ïðîåêöèÿ ìîæåò áûòü êàê ïîëîæèòåëüíîé, òàê è îòðèöàòåëüíîé. Ñðåäíÿÿ àðèôìåòè÷åñêàÿ ïðîåêöèè ñêîðîñòè
Èç-çà õàîñà â äâèæåíèè ìîëåêóë ïîëîæèòåëüíûå çíà÷åíèÿ ïðîåêöèé ñêîðîñòåé âñòðå÷àþòñÿ ñòîëü æå ÷àñòî, êàê è îòðèöàòåëüíûå. Ïîýòîìó ñðåäíåå çíà÷åíèå ïðîåêöèè ñêîðîñòè íà äàííîå íàïðàâëåíèå X ðàâíî íóëþ: Ñðåäíåå æå çíà÷åíèå ìîäóëÿ ïðîåêöèè ñêîðîñòè
Ñðåäíåå çíà÷åíèå êâàäðàòà ñêîðîñòèÍàñ áóäåò èíòåðåñîâàòü ñðåäíèé êâàäðàò ïðîåêöèè ñêîðîñòè. Îí íàõîäèòñÿ òàê æå, êàê êâàäðàò ìîäóëÿ ñêîðîñòè (ñì. âûðàæåíèå (4.1.2)):
Ñêîðîñòè ìîëåêóë ïðèíèìàþò íåïðåðûâíûé ðÿä çíà÷åíèé. Îïðåäåëèòü òî÷íûå çíà÷åíèÿ ñêîðîñòåé è âû÷èñëèòü ñðåäíåå çíà÷åíèå (ñòàòèñòè÷åñêîå ñðåäíåå) ñ ïîìîùüþ ôîðìóëû (4.3.2) ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî. Îïðåäåëèì
* Î òîì, êàê ýòè ÷èñëà ìîãóò áûòü îïðåäåëåíû, áóäåò ðàññêàçàíî â § 4.6. Òàê êàê íàïðàâëåíèå X íè÷åì íå îòëè÷àåòñÿ îò íàïðàâëåíèé Y è Z (îïÿòü-òàêè èç-çà õàîñà â äâèæåíèè ìîëåêóë), ñïðàâåäëèâû ðàâåíñòâà
Äëÿ êàæäîé ìîëåêóëû êâàäðàò ñêîðîñòè ðàâåí
Çíà÷åíèå ñðåäíåãî êâàäðàòà ñêîðîñòè, îïðåäåëÿåìîå òàê æå, êàê ñðåäíèé êâàäðàò ïðîåêöèè ñêîðîñòè (ñì. ôîðìóëû (4.3.2) è (4.3.3)), ðàâíî ñóììå ñðåäíèõ êâàäðàòîâ åå ïðîåêöèé:
Èç âûðàæåíèé (4.3.4) è (4.3.5) ñëåäóåò, ÷òî
ò. å. ñðåäíèé êâàäðàò ïðîåêöèè ñêîðîñòè ðàâåí
|
|
|