Распределение частиц по скоростям и энергии

а) Первый фактор – специфика реакции – количественно отражается в энергии активации. В качестве последней используют две несколькоотличающиеся величины:

Gакэнергию Гиббса активации и

- Еакэнергию активации по Аррениусу, или просто энергию активации.

б) В трактовке обеих величин ключевую роль играет представление о том, что молекулы одного и того же вещества существенно различаются по энергии.

в) Поэтому рассмотрим вначале, как образуется такое распределение. Для простоты будем пока иметь в виду лишь кинетическую энергию молекул.

1. Распределение по проекциям скорости на направление. Мгновенную скорость (u) любой молекулы можно разложить на составляющие по направлениям – ux, uy, uz .

Так вот, прежде всего молекулы различаются по проекциям своей скорости на каждое направление; причём эти проекции постоянно меняются. Тем не менее общий характер распределения проекций остаётся постоянным и характеризуется двумя функциями.

а) F(ux) интегральная функция распределения, т.е. вероятность того, что проекция скоростине более значения ux. Очевидно, с ростом аргумента uxуказанная вероятность возрастает от 0 до 1 (рис. 18.1,а).

 
 

б) Но обычно рассматривают не саму функцию F(ux), а её производную – плотность вероятности:

Очевидно, ω(ux)dux вероятность того, что проекция скорости про-извольной молекулы изуча-емой системы лежит в интервале dux, примыкаю-щем к точке ux.

I. Распределение проекций их является нормальным. Это значит, что оно
описывается следующей формулой:

 

 

 
 

 
 

II. Центр этого распределения — в нуле (рис. 18.1, б). Действительно, так как частицы с равной вероятностью могут двигаться в обоих направлениях оси х, то
средняя скорость по этой оси равна нулю. Величина среднеквадратичное
отклонение.
Можно доказать, что

где М — молярная масса вещества.

2. Распределение частиц по абсолютной скорости (распределение Максвелла). А как найти распределение частиц по абсолютной скорости и?

 
 

а) Величина ω(ux,uy,uz) — это плотность вероятности того, что проекции скорости частицы равны ux,uy,uz (рис. 18.2). Она получается путем перемножения выражений вида (18.2):

 

 
 

б) Но некоторое значение скорости и может складываться из большого множества различных комбинаций значений ux,uy и uz. Величина этого множества определяется (в пространстве скоростей) площадью сферы радиуса и, равной 4πu2. Учитывая это, приходим к распределению частиц по абсолютной скорости:

 

 
 

в) Подставим сюда формулы (18.2)—(18.4), учитывая 3 обстоятельства:

В последнем соотношении N — число частиц, а N0 — общее количество частиц. С помощью этого соотношения переходим от плотности вероятности к числу частиц, имеющих определенную скорость(точнее, к производной числа частиц по скорости).

г) В итоге получаем распределение Максвеллараспределение числа частиц по абсолютной скорости:

 

 

 
 

В отличие от нормального распределения, здесь (рис.18.3) максимум распределения и средняя арифметическая скорость находятся не в нуле, а имеют положительные значения, которые, как можно доказать, таковы:


 

Ещё больше по величине значение среднеквадратичной скорости:

 
 

3. Распределение частиц по кинетической энергии.

 
 

а) Наконец, перейдём к распределению частиц по кинетической энергии. Для этого учтём следующее:

б) Отсюда

в) Данное распределение похоже на предыдущее, но является более пологим (рис. 18.4), т.к. и степенная, и экспоненциальная зависимости здесь уже не такие сильные.

г) Исходя из формулы (18.10) или формулы (18.8,в), можно придти к известному выражению (1.2,а) для средней кинетической энергии идеального газа или идеального раствора (в расчёте на 1 моль вещества):

 
 

В частности, для 298 К получаем: Екср≈ 3,7 кДж/моль.

 








Дата добавления: 2016-03-20; просмотров: 1126;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.01 сек.