2011年6月26日 星期日

理想氣體的熱力學 Thermodynamics of Ideal Gases

化學原理啟迪214

1.      要發展熱力學觀念,我們發現探討從最簡單的物質的性質來研究是最容易瞭解的。也因此,我們會從探討理想氣體的熱力學特性著手-我們假設的理想氣體,接近處在高溫與低壓狀態下的真實氣體,這種條件下的氣體遵守理想氣體定律PVnRT

2.      理想氣體

KEavg32RT

注:在這裡KEavg代表在特定溫度下(K絕對溫度)1mole氣體的平均、隨機、直線移動的動能。

3.      要改變理想氣體的動能的唯一方法是改變它的溫度。讓1mole理想氣體的能量改變達到溫度變化ΔT,需要耗費的能量是:

需要的能量=32 RΔT

特別留意,溫度改變1KΔT1),需要的能量是32 R

4.      物質的莫耳熱容量molar heat capacity的定義:1mole物質溫度提高1K所需的能量

5.      我們由莫耳熱容量的定義,做出一個看起來合理的結論,理想氣體的莫耳熱容量是32R。不過,由於氣體加熱是能夠做出PV功的,這會稀釋掉灌入的能量,因此我們必須更清楚定義什麼條件下會符合這個結論。

6.      在固定的體積下加熱理想氣體 Heating an Ideal Gas at Constant Volume》假設有一份理想氣體裝在一個剛硬容器裡,我們加熱這份理想氣體時不會造成氣體體積的改變(因為容器限縮了氣體的膨脹),不會做出任何PV的功(ΔV0)。

7.      在這樣的條件下,所有流入氣體的能量,都被用來增加氣體分子直線移動的能量。因此,理想氣體在固定體積下的莫耳熱容量Cv32 R(灌入的能量沒有被用來對外作功,完全變成粒子的動能),我們得到以下的結論:

Cv32 R=在固定體積下改變1mole氣體的溫度1K所需要的「熱」

8.      在固定壓力下加熱理想氣體 Heating an Ideal Gas at Constant Pressure》當理想氣體在恆壓下被加熱,它的體積會增加,並且會作功PV work。因此,在固定壓力的條件下被加熱的氣體,能量一方面用來改變氣體分子直線移動的能量,另一方面也用來讓氣體擴張作功:

需要的能量
=熱
1.改變直線移動能量所需的能量+2.做出「體積×壓力之功PV work」所需的能量

注:如同我們上面所做出的結論,(體積不變前提下)1.改變直線移動能量所需的能量,是32 R

9.      如果氣體擴張的體積是ΔV,作功的量就是PΔV。利用理想氣體定律,我們可以看到

PΔVnRΔTRΔT (每莫耳的氣體,n1

10.  所以溫度改變1KΔT1K)做出來的功就是R

1mol 氣體的溫度增加1K需要的熱(恆壓下)
32 R+R5
2 R
Cv+RCp

因此,理想氣體在固定壓力下的莫耳熱容量Cp52 RCv+R

n   翻譯編寫Steven S. ZumdahlChemical Principles

徐弘毅:

1.      宇宙中所有的物質都是由分子組成,分子又是由更小的原子組成,而原子再由更小的核子、電子組成……,總之,宇宙間所有的物質都是由「粒子」組成。

2.      每一組「粒子」含有固定的能量,例如二氧化碳的分子量、化學鍵的鍵能,跟氧氣就不同。如果我們能增加能量,就能讓粒子重組,改變物質,例如植物吸收能光能,把二氧化碳瓦解重組成葡萄糖和氧氣,6CO2 + 6H2O + 光能 → C6H12O6 + 6O2

3.      一個社會是由許多社團組織或家庭所組成,社團組織或家庭又是由個人來組成,人是社會最小單位。一個人經濟能不能獨立?有沒有好學不倦的習慣?這二個因素可以決定一個人的生命活力;同樣地,這個社會每一個國民經濟能不能獨立?有沒有養成好學不倦的生活習慣?這就決定一個國家的活力

4.      經濟能不能獨立?有沒有養成好的生活習慣?最主要的關鍵力量是「教育」。所以一個國家未來有沒有潛力?產業能不能升級?國民生活品質能不能持續提升?全部依靠政府有沒有把「教育投資」當成國家發展最主要的建設。

5.      「教育投資」就是國家發展的熱能,投資很多,個人、家庭、社會組織以及整體社會力量品質就會大幅改善;如果教育的資源城鄉差距很大,那就會嚴重地不平衡,社會會崩解。

6.      「能量」怎麼讓粒子重組?當粒子獲得能量的時候,它們的活動力會增強,這可能會使分子中的原子互相撞擊而瓦解,也可能讓本來距離很遠的分子互相碰撞而結合。

7.      為什麼台灣貧富差距會變大?主因有二,一、城鄉的教育資源嚴重不公平二、產業發展不均衡,圖利特定產業。為什麼現在馬政府面臨貧富差距非常嚴重的問題?因為在三年前,他沒有把消除城鄉教育資源差距當成最重要的工作,整天像無頭蒼蠅一樣嘻皮笑臉,口喊「準備好」。

8.      此外,台灣最近三年並沒有輔導新的產業出現,文化產業、生技產業、光電產業、綠色能源產業、運動產業、農漁業……持續被漠視;馬政府比較重視能夠到中國投資的電子產業,造成台灣人口大量失業,再聘用廉價的派遣人力來美化失業數字。

9.      因為政府政策錯誤與失衡,使得台灣的電子產業跟中國勞工結合,與台灣的勞工切斷關係,這也擴大了台灣貧富差距的問題,造成台灣產業的空洞化

10.  如果要控制或預測物質的變化,必須要知道灌注多少能量,會增加它們多少動能。能量灌入到物質系統中,溫度會提高,動能也會增加;那麼到底灌注多少能量,會增加多少動能呢?這就是「莫耳熱容量」要回答的問題。莫耳熱容量是指物質的溫度提高1度(K)需要的能量。

11.  北歐國家教育投資佔國民生產毛額的比重比台灣高很多,所以雖然人口只有台灣的一半,但是他們每個國民的生產力是台灣的二倍,薪資也是台灣的二倍,生活品質也比台灣高很多。

12.  台灣政府不知道透過「教育投資」來改善台灣的人力素質、提升文化水準、擴大就業市場、改善貧富差距,這就是相當智障的地方,這個連教育部長也不知道。

13.  因為理想氣體的行為模式比較單純,能夠幫助我們理解複雜的原子結構世界,所以我們利用理性氣體定律,找出氣體在體積固定或壓力固定下的二種莫耳熱容量。

14.  政府特別圖利台北市的居民,各種社福預算也特別多,使得台北市與其他地方縣市的國民生活品質不一樣,這是違憲。公務員違憲,就是叛國。此外也造成台北市的房價居高不下。

15.  如果政府能公平的分配資源,地方縣市建設就可以比較多,百姓生活品質比較好,人口也不會都流到大都會區,台北市房價也不會飆升那麼高。

參考資料:

芬蘭能 為何台灣不能?

縣市升格好處在哪?

教育差距 貧富成世襲

救經濟VS救金融機構

教育經費年增240億政見跳票

沒有理想 只有考試辦法的「十二年國教」

 

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