Question

Богом каковы средняя квадратичная скорость и концентрация молекул водяного пара при температуре 0 °с и давлении 0,61 кпа?

Answer 1

T=0°C=273 K
p=0,61 кПа=610 Па.

Средняя квадратичная скорость равна:
v=(3RT/M)^0.5=(3*8.31*273/0.018)^0.5=614.9 м/с,
где М — молярная масса водяного пара
Т.к. давление газа в сосуде равно:
р=nkT, то концентрация молекул равна:
n=p/kT=610/1.38*10^-23*273=1.62*10^23 част/м3

Answer 2

Согласно молекулярно-кинетической теории давление газа p пропорционально его концентрации n и абсолютной (то есть по шкале Кельвина) температуре T:
p = n*k*T, где
k = 1,38^10(-23) Дж/К – постоянная Больцмана;
Температуру переведём в кельвины: T = (0 + 273) К = 273 К;
Давление переведём в паскали: p = 0,61 кПа = 610 Па.
Отсюда концентрация:
n = p/(k*T)
n = 610/(1,38^10(-23)*273)
Все величины подставлены в СИ, значит и ответ получится в СИ – 1/м³.
n = 610/(1,38^10(-23)*273)
n ≈ 1,62*10^23 (1/м³)
То есть в среднем столько молекул водяного пара содержится в каждом кубическом метре.

Средняя квадратичная скорость движения молекул Vср.кв. определяется формулой:
Vср.кв. = √(3*R*T/μ), где
μ = 0,018 кг/моль – молярная масса воды;
R = 8,314 Дж/(моль*К) – универсальная газовая постоянная.
Vср.кв. = √(3*8,314*273/0,018).
Все величины подставлены в СИ, значит и ответ получится в СИ – м/с.
Vср.кв. ≈ 615 м/с.

Пояснение.
Молярная масса воды определяется так:
Молекула воды состоит из 2х атомов водорода и одного атома кислорода (H₂O). Значит масса молекулы воды равна сумме масс атома кислорода и двух атомов водорода. По таблице Менделеева масса атома водорода равна 1 а.е.м. (атомные единицы массы), масса атома кислорода равна 16 а.е.м. Значит масса молекулы воды равна 2*1+16=18 а.е.м.
Молярная масса вещества в "г/моль" численно совпадает с массой молекулы в "а.е.м.". То есть молярная масса воды равна 18 г/моль = 0,018 кг/моль.