Physikalische Chemie. Peter W. Atkins

Physikalische Chemie - Peter W. Atkins


Скачать книгу
dass die kinetische Gastheorie als valides Modell für ein ideales Gas angesehen werden kann.

      Wie groß sind die quadratisch gemittelte Geschwindigkeit c̄ und die mittlere Geschwindigkeit von N2-Molekülen in Luft bei 25 °C?

      Vorgehensweise Wir berechnen zunächst die quadratisch gemittelte Geschwindigkeit c gemäß Gl. (1.16) mit M = 28, 02 gmol−1 (also 0, 028 02kg mol−1) und T = 298 K. Die mittlere Geschwindigkeit c̄ erhalten wir dann durch Evaluation des Integrals

image

      mit dem Ausdruck für ƒ(υ) aus Gl. (1.12). Hierzu können Sie mathematische Software oder die Standardintegrale verwenden, die im Anhang dieses Buchs angegeben sind. Beachten Sie dabei, dass 1 J = 1kgm2 s−2 ist.

      Lösung Die quadratisch gemittelte Geschwindigkeit ist

image

      Das erforderliche Integral zur Berechnung von c̄ ist

image

      Dabei haben wir das Standardintegral

image

      verwendet. Einsetzen der Zahlenwerte ergibt nun für die mittlere Geschwindigkeit

image

       Selbsttest 1.3

      Wie in Beispiel 1.3 gezeigt wurde, können wir mithilfe der Maxwell’schen Geschwindigkeitsverteilung die mittlere Geschwindigkeit c̄ der Moleküle eines Gases berechnen:

      (1.17)image

      Die wahrscheinlichste Geschwindigkeit c* ergibt sich aus der Lage des Maximums der Verteilung durch Ableiten von ƒ(υ)nach υ und Suche des Werts von υ, für den die Ableitung null wird (abgesehen von υ = 0 und υ = ∞; siehe Aufgabe S1.2.10 im Übungsteil am Ende dieses Fokus):

      (1.18)image

image

      Aus der Verteilung können wir auch die mittlere Relativgeschwindigkeitrel ermitteln (die mittlere Geschwindigkeit, mit der ein Molekül sich einem anderen nähert):

image

      Wie wir bereits in Beispiel 1.3 gesehen haben, ist die mittlere Geschwindigkeit c̄ von N2-Molekülen bei 25 °C 475ms−1. Aus Gl. (1.19a) folgt für die mittlere Relativgeschwindigkeit der N2-Moleküle

image

      1.2.2 Intermolekulare Stöße

      Die kinetische Gastheorie kann dazu verwendet werden, aus der qualitativen Beschreibung eines idealen Gases als Ansammlung von sich rastlos bewegenden, miteinander stoßenden Molekülen einen quantitativen, überprüfbaren Ausdruck zu entwickeln. Insbesondere können wir die Häufigkeit berechnen, mit der die Teilchen zusammenstoßen, sowie die Weglänge, die ein Teilchen im Mittel zwischen zwei Stößen zurücklegt.

      (a) Die Stoßzahl

      Als „Stoß“ zählen wir jedes Zusammentreffen zweier Moleküle, bei dem der Abstand der Mittelpunkte beider Teilchen kleiner oder gleich dem Stoßdurchmesser d wird (für harte Kugeln entspricht d gerade ihrem Durchmesser). Wie wir in der folgenden Herleitung 1.3 sehen werden, lässt sich mithilfe der kinetischen Gastheorie die Stoßzahl z (auch Stoßhäufigkeit) bestimmen, also die Anzahl der Stöße eines Moleküls pro Zeitintervall, in dem diese Stöße gezählt werden.