Langkau ke kandungan
Fizik · Tingkatan 6 (STPM Physics) · Kinetic Theory of Gases

10.3 Molecular kinetic energy

Unit ini menghubungkan pemalar Boltzmann dengan pemalar gas molar (k = R/N_A), menerbitkan ½m⟨c²⟩ = (3/2)kT dan mengira laju punca min kuasa dua molekul gas.

  • STPM
  • 4 SP
  • 14 latihan
  • Percuma

SP 10.3.1State the relationship between the Boltzmann constant and molar gas constant, k = R/N_A;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas State (Menyatakan)

Calon perlu menyatakan hubungan k = R/N_A.

  1. IsiHubungan
    Huraian

    Pemalar Boltzmann ialah pemalar gas molar dibahagi pemalar Avogadro: k = R/N_A. Ia pemalar gas bagi satu molekul.

    Contoh

    R = 8.31 J mol⁻¹ K⁻¹ untuk satu mol; k = 1.38 × 10⁻²³ J K⁻¹ untuk satu molekul.

  2. IsiBentuk persamaan gas
    Huraian

    Dengan n = N/N_A, pV = nRT menjadi pV = NkT.

    Contoh

    Gunakan pV = NkT apabila bilangan molekul N diberi.

NotaPemalar Boltzmann (Boltzmann constant)

Pemalar Boltzmann k ialah pemalar gas per molekul: k = R/N_A. Dengan R = 8.31 J mol⁻¹ K⁻¹ dan N_A = 6.02 × 10²³ mol⁻¹, k = 8.31 ÷ 6.02 × 10²³ = 1.38 × 10⁻²³ J K⁻¹. Oleh sebab n = N/N_A, persamaan pV = nRT menjadi pV = NkT.

SP 10.3.1SP 10.3.2

SP 10.3.2Use the formula k = R/N_A;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Use (Menggunakan)

Calon perlu menggunakan k = R/N_A dalam pengiraan.

  1. IsiMengira k
    Huraian

    k = 8.31/(6.02 × 10²³) = 1.38 × 10⁻²³ J K⁻¹.

    Contoh

    Semakan unit: (J mol⁻¹ K⁻¹)/(mol⁻¹) = J K⁻¹.

  2. IsiMencari bilangan molekul
    Huraian

    Daripada pV = NkT, bilangan molekul N = pV/(kT). Gunakan tekanan dalam Pa, isi padu dalam m³ dan suhu dalam K.

    Contoh

    1.0 × 10⁻³ m³ gas pada 1.0 × 10⁵ Pa dan 300 K: N = (1.0 × 10⁵ × 1.0 × 10⁻³) ÷ (1.38 × 10⁻²³ × 300) = 2.4 × 10²² molekul.

SP 10.3.3Derive and use the equation for the mean translational kinetic energy of a molecule, (1/2)mc̄^2 = (3/2)kT;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Derive and use (Menerbitkan dan menggunakan)

Calon perlu menerbitkan ½m⟨c²⟩ = (3/2)kT dan menggunakannya.

  1. IsiTerbitan
    Huraian

    pV = ⅓Nm⟨c²⟩ (teori kinetik) dan pV = NkT; samakan: ⅓m⟨c²⟩ = kT, maka ½m⟨c²⟩ = (3/2)kT.

    Contoh

    Tenaga kinetik translasi purata berkadar terus dengan suhu termodinamik.

  2. IsiPenggunaan
    Huraian

    Pada suhu sama semua gas mempunyai tenaga kinetik translasi purata yang sama.

    Contoh

    Pada 300 K: (3/2)kT = 6.21 × 10⁻²¹ J bagi helium dan juga oksigen.

Peta alirTerbitan ½m⟨c²⟩ = (3/2)kT

  1. Daripada teori kinetik: pV = ⅓Nm⟨c²⟩
  2. Daripada persamaan gas unggul: pV = NkT
  3. Samakan: ⅓Nm⟨c²⟩ = NkT, maka ⅓m⟨c²⟩ = kT
  4. Darab dengan 3/2: ½m⟨c²⟩ = (3/2)kT
  5. Tenaga kinetik translasi purata satu molekul berkadar terus dengan suhu termodinamik.
SP 10.3.3

Peta alirContoh: tenaga kinetik dan laju rms

  1. Gas oksigen (M = 0.032 kg mol⁻¹) pada 300 K.
  2. Tenaga kinetik purata = (3/2)kT = 1.5 × 1.38 × 10⁻²³ J K⁻¹ × 300 K = 6.21 × 10⁻²¹ J
  3. c_rms = √(3kT/m) = √(3RT/M)
  4. c_rms = √(3 × 8.31 J mol⁻¹ K⁻¹ × 300 K ÷ 0.032 kg mol⁻¹) = √(2.34 × 10⁵ m² s⁻²)
  5. c_rms = 483 m s⁻¹
SP 10.3.3SP 10.3.4

SP 10.3.4Calculate the root mean square speed of gas molecules.

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Calculate (Mengira)

Calon perlu mengira laju punca min kuasa dua molekul gas.

  1. IsiDaripada set laju
    Huraian

    Kuasa duakan setiap laju, ambil min, kemudian punca kuasa dua.

    Contoh

    Laju 2, 4, 6 m s⁻¹: c_rms = √18.7 = 4.32 m s⁻¹ (laju purata 4.00 m s⁻¹).

  2. IsiDaripada suhu
    Huraian

    c_rms = √(3kT/m) = √(3RT/M), M dalam kg mol⁻¹.

    Contoh

    Oksigen M = 0.032 kg mol⁻¹ pada 300 K: c_rms = 483 m s⁻¹; nitrogen M = 0.028: 517 m s⁻¹.

JadualLaju rms daripada set laju

LangkahPengiraan (laju 2, 4, 6 m s⁻¹)
Kuasa dua setiap laju4, 16, 36 m² s⁻²
Min kuasa dua(4 + 16 + 36)/3 = 18.7 m² s⁻²
Punca kuasa duac_rms = √18.7 = 4.32 m s⁻¹
Bandingkan laju purata(2 + 4 + 6)/3 = 4.00 m s⁻¹ (lebih kecil daripada c_rms)
SP 10.3.4

Tahukah andaTahukah anda

Pada suhu yang sama, semua gas mempunyai tenaga kinetik purata yang sama, tetapi molekul ringan seperti hidrogen bergerak lebih laju kerana c_rms ∝ 1/√M.

SP 10.3.4

Ingat: mnemonik & kad imbas

Mnemonik

TRTM
Tiga, R, T, M: c_rms = √(3RT/M).

Kad imbas

k = ?
R/N_A = 1.38 × 10⁻²³ J K⁻¹
Tenaga kinetik translasi purata satu molekul
½m⟨c²⟩ = (3/2)kT
c_rms
√(3kT/m) = √(3RT/M)
Jika T berganda empat, c_rms
Berganda dua
Nilai N_A
6.02 × 10²³ mol⁻¹

Semak kefahaman

  1. Nyatakan hubungan antara pemalar Boltzmann k, pemalar gas molar R dan pemalar Avogadro N_A. (SP 10.3.1)

    Lihat jawapan

    k = R/N_A, iaitu pemalar Boltzmann ialah pemalar gas molar dibahagi pemalar Avogadro.

  2. Hitung bilangan molekul gas dalam 2.0 × 10⁻³ m³ pada 1.0 × 10⁵ Pa dan 290 K. (k = 1.38 × 10⁻²³ J K⁻¹) (SP 10.3.2)

    Lihat jawapan

    N = pV/(kT) = (1.0 × 10⁵ × 2.0 × 10⁻³) ÷ (1.38 × 10⁻²³ × 290) = 5.0 × 10²² molekul.

  3. Hitung tenaga kinetik translasi purata satu molekul gas pada 400 K. (k = 1.38 × 10⁻²³ J K⁻¹) (SP 10.3.3)

    Lihat jawapan

    (3/2)kT = 1.5 × 1.38 × 10⁻²³ × 400 = 8.28 × 10⁻²¹ J.

  4. Hitung laju punca min kuasa dua bagi tiga molekul dengan laju 1, 2 dan 3 m s⁻¹. (SP 10.3.4)

    Lihat jawapan

    ⟨c²⟩ = (1 + 4 + 9)/3 = 4.67 m² s⁻²; c_rms = √4.67 = 2.16 m s⁻¹.

14 soalan latihan pelbagai aras, kad imbas dan Kad Tahniah ada dalam mod interaktif.

Untuk guru: cadangan aktiviti ikut aras kognitif (5)
  1. Mengingat

    Aktiviti: Murid menulis k = R/N_A dengan nilai k dan unit J K⁻¹, serta membezakan daripada R dalam kad semakan 8 minit.

    Bukti hasil kerja: Kad semakan; semak nilai dan unit.

    SP disasar: 10.3.1 · Latihan sepadan: aras Mengingat
  2. Memahami

    Aktiviti: Dalam pasangan, murid menerangkan hubungan ½mc̄² = (3/2)kT dengan menggabungkan p = ⅓ρc̄² dan pV = nRT secara berpandu.

    Bukti hasil kerja: Terbitan bertulis; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 10.3.3 · Latihan sepadan: aras Memahami
  3. Mengaplikasi

    Aktiviti: Murid mengira tenaga kinetik purata molekul dan laju punca min kuasa dua (r.m.s.) oksigen pada 300 K.

    Bukti hasil kerja: Lembaran pengiraan berunit; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 10.3.2, 10.3.4 · Latihan sepadan: aras Mengaplikasi
  4. Menganalisis

    Aktiviti: Dalam kumpulan, murid menganalisis perbandingan laju r.m.s. hidrogen dan nitrogen pada suhu sama dan pada suhu berbeza, lalu menyatakan corak.

    Bukti hasil kerja: Jadual nilai dan kesimpulan corak; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 10.3.3, 10.3.4 · Latihan sepadan: aras Menganalisis
  5. Menilai

    Aktiviti: Murid menilai mengapa hidrogen lepas dari atmosfera bumi lebih mudah daripada nitrogen dengan membandingkan laju r.m.s. dan laju lepas.

    Bukti hasil kerja: Ulasan bertulis dengan angka; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 10.3.4 · Latihan sepadan: aras Menilai

Cadangan ini mengikut aras kognitif hasil pembelajaran (bukan TP DSKP kerana STPM tiada TP). Buka unit dan latihan

Siapkan unit ini dalam mod interaktif untuk mendapat bintang, anggaran TP dan Kad Tahniah. Siapkan semua 109 unit Fizik STPM untuk Sijil Penghargaan SistemGuru.My.

Unit lain dalam Kinetic Theory of Gases

  1. 10.1 Ideal gas equation
  2. 10.2 Pressure of a gas
  3. 10.3 Molecular kinetic energy
  4. 10.4 Degrees of freedom and law of equipartition of energy
  5. 10.5 Internal energy of an ideal gas