Molekulāri kinētiskās teorijas pamati

Apskatīt video Khan Academy platformā: Khan AcademyThe kinetic molecular theory of gases

Transkripts:
00:00
- [Instruktors] Šajā video
00:01
mēs runāsim par kaut ko, ko sauc par
00:02
molekulāri kinētisko teoriju, kas izklausās ļoti sarežģīti.
00:06
Bet, kā mēs redzēsim dažu nākamo sekunžu laikā,
00:08
vai dažu nākamo minūšu laikā,
00:09
tā patiesībā palīdz veidot mūsu intuīciju
00:11
par to, kas īsti notiek ar gāzi,
00:14
vai vismaz tuvinājumu tam,
00:16
kas notiek ar gāzi.
00:18
Vispirms padomāsim par tām lietām,
00:20
ko mēs zinām, ka varam izmērīt gāzei
00:23
makroskopiskā līmenī.
00:25
Ko es domāju ar "makroskopiskā"?
00:26
Es domāju lielā mērogā, mērogā, kas ir daudz lielāks
00:29
par atomu vai molekulu mērogu.
00:32
Un mēs zinām, ko mēs varam izmērīt.
00:35
Mēs varam izmērīt spiedienu.
00:37
Kā to dara?
00:38
Spiediens ir vienkārši spēks uz laukuma vienību.
00:41
Tu to vari izdarīt.
00:42
Ir dažādas ierīces, ko var izmantot spiediena mērīšanai,
00:44
atkarībā no tā, kam to izmanto.
00:45
Spēku var izmērīt ar atsperēm,
00:47
un tu vari pielikt noteiktu spēku noteiktam laukumam.
00:51
Bet tie visi ir veidi, kā var izmērīt spiedienu,
00:53
un mēs varam izmērīt gāzes spiedienu traukā.
00:58
Var izmērīt trauka tilpumu.
01:01
Tas patiesībā ir diezgan vienkārši.
01:03
Tu vari iedomāties trauku,
01:04
kas izskatās apmēram šādi, tā tilpumu.
01:08
Mēs zinām, kā atrast tilpumu
01:09
šādai taisnstūra prizmai,
01:10
vai pat ja tā būtu lode vai kāda cita veida figūra.
01:13
Ir daudz veidu, kā izmērīt tilpumu,
01:15
pat nespējot novērot
01:17
vai pat nezinot, ka tādas lietas kā molekulas eksistē.
01:20
Mēs zinām, kā izmērīt temperatūru,
01:24
un mēs to varam darīt dažādās skalās.
01:26
Mēs izmantojam kelvinus, jo tā ir absolūtā skala,
01:29
bet burtiski var izmantot termometrus,
01:30
lai izmērītu temperatūru.
01:31
Un atkal, tu vari izmērīt temperatūru,
01:33
neko nezinot par atomiem vai molekulām
01:36
vai par to, vai tie vispār eksistē.
01:38
Un tu vari arī izmērīt vielas daudzumu.
01:43
Un jo īpaši, mēs varētu teikt,
01:45
tu vari izmērīt molu skaitu.
01:48
Tagad tu varētu teikt - vai tad moli neietver noteiktu skaitu
01:51
molekulu vai atomu?
01:53
Jā, tā ir, bet mola jēdziens patiesībā pastāvēja
01:57
jau pirms mēs precīzi zinājām, cik molekulu,
02:00
cik daļiņu veido vienu molu.
02:02
Tas tika uzskatīts vienkārši par daudzumu,
02:04
kur cilvēki zināja, ka tam jābūt noteiktam daļiņu skaitam,
02:07
bet viņi nezināja precīzi.
02:08
Visas šīs lietas mēs varam izmērīt makroskopiskā līmenī.
02:11
Un mēs zinām, ka mēs varam tās visas savienot
02:13
ar ideālās gāzes vienādojumu,
02:15
kas mums saka, ka spiediens reiz tilpums
02:18
ir vienāds ar gāzes daudzumu.
02:23
Un tas, protams, attiecas uz ideālu gāzi,
02:25
un turpmākajos video
02:26
mēs runāsim par to, kā dažas gāzes tuvojas ideālas gāzes stāvoklim,
02:30
kamēr citas ir mazāk ideālas.
02:32
Bet šis daudzums ir molu skaits.
02:36
Tad ir ideālās gāzes konstante,
02:37
kas vienkārši palīdz mums saskaņot visas mērvienības
02:39
atkarībā no mērvienībām, ko izmantojam pārējiem lielumiem.
02:41
Un tad ir temperatūra, ko mēra kelvinos.
02:45
Un zinātnieki, ilgi pirms mēs patiešām spējām
02:49
uzzināt par tādām lietām kā atomi vai pat novērot atomus
02:52
vai molekulas tieši, vai pat netieši,
02:55
spēja noteikt šo sakarību,
02:57
izmantojot šos makroskopiskos mērījumus.
03:00
Bet kā šie makroskopiskie mērījumi un šī sakarība
03:03
patiesībā izskaidrojami molekulārā līmenī?
03:06
Un to mums sniedz molekulāri kinētiskā teorija.
03:11
Tā saka: iedomājies, ka gāze sastāv
03:14
no ļoti, ļoti mazām daļiņām.
03:17
Tās ir gāzes molekulas.
03:20
Un to kopējais tilpums ir ļoti mazs,
03:23
salīdzinot ar trauka tilpumu.
03:26
Tātad starp šīm daļiņām lielākoties ir tukša telpa.
03:29
Spiedienu rada šīs daļiņas,
03:34
atsitoties pret trauka sieniņām.
03:37
Jo jebkurā brīdī
03:38
pietiekami daudz daļiņu atsitas pret sieniņām
03:41
jebkurā laukuma vienībā, lai radītu spēku uz laukuma vienību.
03:45
Tās rada spiedienu.
03:47
Tā pieņem, ka šīs sadursmes
03:49
ir tā saucamās elastīgās sadursmes,
03:51
ko mēs daudz detalizētāk pētīsim fizikas kursā,
03:54
bet tas būtībā nozīmē, ka kinētiskā enerģija saglabājas.
03:57
Iespējams, tu jau zini,
03:59
ka kinētiskā enerģija ir vienāda ar vienu pusi,
04:02
reiz masa, reiz ātrums kvadrātā.
04:05
Un tātad šo daļiņu kinētiskā enerģija,
04:08
kad tās atsitas, to masa nemainās.
04:10
Daļiņu masa paliek.
04:11
Un mēs pieņemam, ka ātrums saglabājas.
04:14
Tātad ir visas šīs ļoti mazās daļiņas,
04:16
kuru kopējais tilpums ir mazs,
04:18
salīdzinot ar trauka tilpumu.
04:20
Tās rada spiedienu,
04:21
ar šīm elastīgajām sadursmēm
04:22
ar trauka sieniņām.
04:24
Un temperatūra ir saistīta ar šo daļiņu vidējo
04:28
kinētisko enerģiju.
04:29
Tā būtu proporcionāla.
04:30
Jo augstāka temperatūra,
04:31
jo augstāka vidējā kinētiskā enerģija.
04:33
Vidējā kinētiskā enerģija ir ļoti svarīga,
04:35
jo dažas no šīm daļiņām
04:36
var kustēties ātrāk nekā citas.
04:39
Un, protams, n, molu skaits,
04:42
mums pasaka, ar cik daļiņām mums ir darīšana.
04:43
Mēs zinām, ka katrā molā ir Avogadro skaitam atbilstošs daļiņu skaits.
04:47
Ja tu vienkārši reizini molu skaitu ar Avogadro skaitli,
04:50
tu iegūsti daļiņu skaitu.
04:52
Un foršākais molekulāri kinētiskajā teorijā ir tas,
04:54
es zinu, ka tā ir veidota kā teorija,
04:55
bet tas būtībā ir tas, ko ķīmiķi
04:57
un fiziķi iztēlojas,
04:59
kad viņi domā par gāzi kādā traukā.
05:02
Un, lai to padarītu nedaudz skaidrāku,
05:05
molekulāri kinētiskās teorijas aksiomas, varētu teikt,
05:08
tās pieņēmumus, es tos šeit uzskaitīšu.
05:10
Un ir svarīgi saprast, ka tie ir pieņēmumi,
05:13
un reālajā pasaulē ir nelielas atšķirības no tiem,
05:17
bet šie pieņēmumi mums ļoti palīdz
05:19
izskaidrot gāzu uzvedību.
05:21
Mēs jau par to runājām.
05:22
Gāze sastāv no daļiņām, kas atrodas pastāvīgā, haotiskā kustībā.
05:25
Mēs jau par to runājām.
05:26
Tās atsitas pret trauka sieniņām.
05:28
Daļiņu kopējais tilpums ir niecīgs,
05:31
salīdzinot ar kopējo tilpumu, kurā gāze atrodas.
05:36
Un tam arī ir nozīme,
05:37
kad runā par tādām lietām kā ideālās gāzes,
05:39
jo, ja tas vairs nav niecīgs,
05:41
tad jāsāk domāt par atgrūšanās
05:43
un pievilkšanās spēku mijiedarbību nedaudz vairāk.
05:45
Daļiņas nepievelkas
05:48
un neatgrūžas viena no otras.
05:49
Un tas savā ziņā izriet no pēdējā punkta, ko es minēju,
05:52
proti, ja tās to darītu,
05:54
tad mēs tuvotos ne-ideālas gāzes stāvoklim.
05:57
Un par to mēs runāsim citos video.
05:59
Sadursmes starp daļiņām ir pilnīgi elastīgas.
06:02
Tās saglabā kinētisko enerģiju,
06:04
un patiesībā tās saglabātu arī impulsu.
06:07
Un ka daļiņu vidējā kinētiskā enerģija
06:09
ir proporcionāla temperatūrai kelvinos.
06:12
Un mēs jau par to runājām,
06:13
ka makroskopiskais mainīgais,
06:14
makroskopiskais mērījums - temperatūra
06:16
dod mums norādi,
06:18
tā ir proporcionāla vidējai kinētiskajai enerģijai
06:21
daļiņām.

Eksperta komentārs

Šajā video sniegts ievads molekulāri kinētiskajai teorijai kā modelim, kas ļauj skaidrot gāzu makroskopiskās īpašības, balstoties uz daļiņu kustību mikroskopiskā līmenī. Video sākumā atkārtoti jau pazīstami makroskopiskie lielumi — spiediens, tilpums, temperatūra un vielas daudzums — un parādīts, kā tie tiek saistīti ideālās gāzes vienādojumā. Tālāk piedāvāts vienkāršots gāzes modelis, kurā gāze tiek aprakstīta kā daļiņu sistēma pastāvīgā haotiskā kustībā, skaidrojot spiediena rašanos kā daļiņu sadursmju ar trauka sieniņām rezultātu. Video akcentēts, ka sadursmes ir absolūti elastīgas un ka temperatūra ir saistīta ar daļiņu vidējo kinētisko enerģiju. Noslēgumā sistemātiski izklāstīti molekulāri kinētiskās teorijas pamatpieņēmumi un to nozīme ideālās gāzes modeļa ietvaros.

Jēdzieni: molekulāri kinētiskā teorija, atomi, molekulas, spiediens, spēks, laukums, tilpums, temperatūra, vielas daudzums, makroskopiskie mērījumi, absolūti elastīgas sadursmes, kinētiskā enerģija, masa, ātrums, Avogadro skaitlis, impulss, ideālā gāze, universālā gāzu konstante.

Video kinētisko enerģiju apzīmē ar KE, savukārt fizikas formulul lapā lieto apzīmējumu 𝑊0𝑊_0. Video tiek lietots termins “MKT aksiomas”; mācību literatūrā latviešu valodā biežāk sastopami termini “pamatpieņēmumi” vai “pamatpostulāti”. Spiediens video apzīmēts ar lielo burtu PP, bet mācību literatūrā latviešu valodā ierasti lieto mazo burtu pp.

Video neparādās pa tiešo jēdziens „universālā gāzu konstante”, tā vietā teikts, ka "tā ir ideālās gāzes konstante, kas vienkārši palīdz mums saskaņot visas mērvienības".