PhysProf - Molekülgeschwindigkeit

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Molekülgeschwindigkeit


Mit Hilfe des Unterprogramms [Thermodynamik] - [Molekülgeschwindigkeit] können die wahrscheinlichste und die mittlere Geschwindigkeit, sowie der Mittelwert der Geschwindigkeit sich bewegender Gasteilchen ermittelt werden.

PhysProf - Molekülgeschwindigkeit

Die Bewegung von Gasmolekülen erfolgt nach statistischen Gesetzen. Im zeitlichen Mittel besitzen alle Moleküle gleiche Energie und Geschwindigkeit. Zu bestimmten Zeitpunkten können Energie und Geschwindigkeit eines einzelnen Moleküls erheblich vom Mittelwert abweichen. Maxwell hat ein Verteilungsgesetz für Molekülgeschwindigkeiten entwickelt, mit welchen die relative Häufigkeit ermittelt werden kann, mit der sich Gasteilchen in Abhängigkeit von der Temperatur bewegen.

Molekül - Geschwindigkeit - Gleichung - 1

Die wahrscheinlichste Geschwindigkeit kann hierbei ermittelt werden durch:

Molekül - Geschwindigkeit - Gleichung - 2

Der Verlauf der Verteilungsfunktion ist asymmetrisch. Die wahrscheinlichste Geschwindigkeit kann an der Lage des Maximums der Kurve erkannt werden. Mit zunehmender Temperatur nimmt die durchschnittliche Geschwindigkeit zu und die Verteilung wird breiter. Da bei Berechnungen nicht von der Momentangeschwindigkeit eines einzelnen Moleküls ausgegangen werden kann, wird ein quadratischer Mittelwert für die Bewegungsgeschwindigkeit aller Moleküle ermittelt. Dieser wird bezeichnet als mittlere quadratische Geschwindigkeit:

Molekül - Geschwindigkeit - Gleichung - 3

Ein weiterer Mittelwert ergibt sich aus:

Molekül - Geschwindigkeit - Gleichung - 4

Hierbei sind:

N: Anzahl der Moleküle in einem Gas

dN: Anzahl der Moleküle mit einer Geschw. innerhalb eines best. Bereichs

v: Untere Grenze dieses Geschwindigkeitsbereichs [m/s]

dv: Größe des Geschwindigkeitsbereichs [m/s]

R: Gaskonstante [J/(kgK)]

T: Gastemperatur [K]

e: Eulersche Zahl

k: Boltzmann-Konstante = 1,381·10-23 J/K

mM: Masse eines Moleküls [kg]
 

Programmbedienung

Dieses Verhalten von Molekülgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Temperatur können Sie untersuchen, indem Sie einen entsprechenden Eintrag in der zur Verfügung stehenden Liste fokussieren. Das Programm stellt daraufhin die Verteilungsfunktion für verschiedene Temperaturen dar.

Möchten Sie die Maxima der Funktion für eine Temperatur von 200 K (rote Kurve) eingezeichnet bekommen, so aktivieren Sie hierfür das Kontrollkästchen Geschwindigkeiten. Die angezeigten Bezeichnungskürzel haben folgende Bedeutung:

vw: Wahrscheinlichste Geschwindigkeit sich bewegender Gasteilchen

vm: Mittlere quadratische Geschwindigkeit sich bewegender Gasteilchen

vmw: Mittelwert der Geschwindigkeit sich bewegender Gasteilchen

 

Die im Fensterbereich Ergebnisse ausgegebenen Werte beziehen sich ausschliesslich auf die rot markierte Kurve für eine Temperatur bei 200 K.

Da der Darstellungsbereich bezüglich den Abszissenwerten erheblich variieren kann, steht der Schalter Vergrößern zur Verfügung, durch welchen Sie den Darstellungsbereich vergrößern bzw. verkleinern können.
 

Module zum Themenbereich Thermodynamik


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