容积V=1m^3的容器内混有N_1=1.0×10^25个氢分子和N_2=4.0×10^25个氧分子,混合气体的温度为400K(1)气体分子的平动动能总和;(2)混合气体的压强;
容积$$V=1m^3$$的容器内混有$$N_1=1.0×10^{25}$$个氢分子和$$N_2=4.0×10^{25}$$个氧分子,混合气体的温度为400K
(1)气体分子的平动动能总和;
(2)混合气体的压强;
题目解答
答案
(1)气体分子的平动动能总和
$$E_t = {3{}\over{} 2} {(1.0+4.0)×10^{25}{}\over{} 6.02×10^{23}} R T \approx 4.14\times 10^5J$$
(2)混合气体的压强
$$p ={ (1.0+4.0)×10^{25} {}\over{} 1.38×10-23×400 }= 2.76\times 10^5 Pa$$解析
考查要点:本题主要考查理想气体分子动能理论及压强公式的应用,涉及两种气体混合后的整体性质计算。
解题思路:
- 平动动能总和:根据理想气体分子平均平动动能公式,总动能为所有分子平动动能之和,需注意总分子数为两种气体分子数之和。
- 混合气体压强:利用理想气体状态方程或分子动理论的压强公式,需将总分子数代入计算。
关键点:
- 总分子数:氢分子与氧分子数量相加。
- 公式选择:动能总和用总分子数与单个分子平均平动动能的乘积,压强用总分子数与玻尔兹曼常数、温度、体积的关系。
第(1)题:气体分子的平动动能总和
确定总分子数
总分子数为氢分子与氧分子之和:
$N_{\text{总}} = N_1 + N_2 = (1.0 + 4.0) \times 10^{25} = 5.0 \times 10^{25}$
计算单个分子的平均平动动能
单个分子的平均平动动能为:
$\langle E_{\text{平}} \rangle = \frac{3}{2} k T$
其中,$k = 1.38 \times 10^{-23} \, \text{J/K}$ 为玻尔兹曼常数,$T = 400 \, \text{K}$。
计算总平动动能
总平动动能为所有分子平动动能之和:
$E_t = N_{\text{总}} \cdot \langle E_{\text{平}} \rangle = 5.0 \times 10^{25} \cdot \frac{3}{2} \cdot 1.38 \times 10^{-23} \cdot 400$
简化计算
$E_t = \frac{3}{2} \cdot \frac{5.0 \times 10^{25}}{6.02 \times 10^{23}} \cdot R \cdot T \approx 4.14 \times 10^5 \, \text{J}$
(注:此处用阿伏伽德罗常数 $N_A = 6.02 \times 10^{23}$ 转换为摩尔数,结合气体常数 $R = 8.314 \, \text{J/(mol·K)}$)
第(2)题:混合气体的压强
应用分子动理论压强公式
压强公式为:
$p = \frac{N_{\text{总}} \cdot k \cdot T}{V}$
其中,$V = 1 \, \text{m}^3$。
代入数据计算
$p = \frac{5.0 \times 10^{25} \cdot 1.38 \times 10^{-23} \cdot 400}{1} = 2.76 \times 10^5 \, \text{Pa}$