Gazy - właściwości

Zagadnienia

• Równanie Clapeyrona
• Teoria kinetyczno-molekularna
• Dyfuzja
• Praca pV
• Rozkład Maxwella-Boltzmanna

Opis

Wpompuj cząsteczki gazu do pojemnika i zobacz co się dzieje, gdy zmienimy objętość, dostarczymy lub pobierzemy ciepło, zmienimy przyspieszenie grawitacyjne, itd. Zmierz temperaturę i ciśnienie, i zobacz w jaki sposób zależą od nich właściwości gazu. Zbadaj histogramy energii kinetycznej i szybkości dla lekkich i ciężkich cząsteczek. Zbadaj dyfuzję i określ, w jaki sposób stężenie, temperatura, masa i wielkość cząsteczki wpływają na szybkość dyfuzji.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar, lipiec 2024)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Określ, jak zmiana parametru spośród p, V, N i T wpływa na inne właściwości gazu.
• Opisz związek między zderzeniami cząsteczek ze ściankami a ciśnieniem.
• Przewiduj, jak zmiana temperatury wpłynie na prędkość cząsteczek.
• Przewiduj prędkość cząsteczek w równowadze termicznej na podstawie względnych mas cząsteczek.
• Określ, kiedy praca przy zmianach ciśnienia i objętości jest wykonywana na gazie lub przez gaz.
• Wyjaśnij, jak mieszają się dwa gazy.
• Zaprojektuj doświadczenie, aby znaleźć czynniki, które wpływają na szybkość dyfuzji.

Przykładowe materiały teoretyczne

• Gazy i kinetyczno-molekularna teoria gazów (Khan Academy)
• Kinetyczna teoria gazów (OpenStax)
• Teoria kinetyczno‑molekularna gazu doskonałego (ZPE)

Sterowanie symulacją

Ekran Gaz doskonały (link bezpośredni)

Wpompuj cząsteczki gazu do pojemnika i odkryj, co się stanie, gdy zmienisz objętość, dodasz lub usuniesz ciepło i tym podobne.

Ekran Badaj (link bezpośredni)

Odkryj, co się dzieje, gdy gaz jest sprężany lub rozprężany, i określ, kiedy praca p-V jest wykonywana na gazie lub przez gaz.

Ekran Energia (link bezpośredni)

Zbadaj rozkład szybkości i energii kinetycznych cząsteczek oraz porównaj gazy ciężkie i lekkie.

Ekran Dyfuzja (link bezpośredni)

Zbadaj sposób mieszania się dwóch gazów i poeksperymentuj z czynnikami wpływającymi na szybkość dyfuzji.

Złożone sterowanie

• W przypadku ekranu Dyfuzja kliknięcie przycisku Usuń podział usuwa w pojemniku przegrodę rozdzielającą gazy. Kliknięcie przycisku Resetuj podział przywraca stan początkowy.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Gazy - właściwości chcesz uwzględnić tylko pierwszy i drugi ekran (screens=1,2), z domyślnie otwartym drugim ekranem (initialScreen=2), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/gas-properties_all.html?screens=1,2&initialScreen=2

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/gas-properties_all.html?locale=pl&screens=1,2&initialScreen=2

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje lub Opcje... w symulacji.

Parametr query i opis	Przykłady
pressureNoise - usuwa szum wyświetlany na manometrze (drgania wskazówki).	pressureNoise=false
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=3
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
colorProfile - zmienia kolory symulacji dla łatwiejszej projekcji.	colorProfile=projector
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Menu Preferencje

Po kliknięciu ikony menu Preferencje otworzy się okno, w którym w odpowiednich sekcjach możemy zaznaczyć żądane opcje:

W sekcji Symulacja możemy odznaczyć (domyślnie zaznaczone) Szumy ciśnienia, aby wyciszyć szum (drgania wskazówki) wyświetlany na manometrze.

Jeżeli zaznaczymy Tryb projektora, ułatwiający projekcję, nastąpi wtedy odwrócenie kolorów, tak jak na zrzucie ekranu poniżej

Gdy adres URL symulacji kończy się na "_all.html", dodatkowo pojawia się sekcja Lokalizacja, w której możemy dokonać wyboru języka:

Ułatwienia dostępu

Sterowanie za pomocą klawiatury - skróty klawiszowe

Generalnie sterujemy symulacją za pomocą myszy lub dotyku. Alternatywnie uczniowie mogą też nawigować i sterować elementami interaktywnymi za pomocą klawiatury. Po kliknięciu otworzy się okno z listą obsługiwanych skrótów.

Przy aktywnych ekranach Doskonały, Badaj i Energia:

Przy aktywnym ekranie Dyfuzja:

Tryb pełnego ekranu

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Uproszczenia modelu

• Zderzenia cząsteczka-cząsteczka są modelowane jako zderzenia twardej kuli. Szczegółowy opis modelu można znaleźć tutaj (en).
• Głębokość pojemnika (4 nm) i wysokość (8,75 nm) są stałe, więc objętość zmienia się liniowo wraz z szerokością.
• Lekkie cząsteczki mają masę 4 u, a ciężkie 28 u. Podczas gdy masy te odpowiadają odpowiednio He i N₂, promienie różnią się, aby zoptymalizować wizualną różnicę wielkości.
• Ciśnienie w modelu wynika z prawa gazu doskonałego. Ciśnienie będzie niezerowe, gdy tylko N > 0 i pozostanie stałe do momentu zmiany N, T lub V. Ciśnienie wyświetlane na manometrze może różnić się od wartości modelowej w pewnych okolicznościach.
• Manometr będzie wyświetlał zerowe ciśnienie aż do pierwszego zderzenia cząsteczki ze ścianą.
• Jeśli opcja Szum ciśnienia jest włączona, odczyt ciśnienia będzie wahał się co 0,75 ps o maksymalnie 50 kPa. Poziom szumu ciśnienia (szum odnosi się tutaj do niepewności/zmienności odczytu ciśnienia) jest odwrotnie proporcjonalny do ciśnienia i dla T ≤ 50K zmniejsza się liniowo, aż do 0 kPa, gdy T ≤ 5K.
• Przesuwanie ściany pojemnika na ekranie Doskonały nie spowoduje wykonania żadnej pracy przez układ. Gdy ściana pojemnika zostanie chwycona, symulacja zostanie wstrzymana. Po zwolnieniu, cząsteczki natychmiast rozmieszczą się w pojemniku, a ich szybkości pozostaną niezmienione.
• Na ekranie Badaj przesuwanie ściany pojemnika wpływa na prędkość zderzających się z nią cząsteczek. Ściana ma ograniczenie prędkości do 800 pm/ps podczas zmniejszania objętości, aby uniknąć ciągłego wysadzania pokrywy.
• Dodanie cząsteczek do pojemnika nie zmienia temperatury układu, ponieważ nowo dodawanym cząsteczkom nadawana jest odpowiednia prędkość, dopasowana do temperatury gazu w pojemniku. Na ekranie Energia użyj elementów sterujących Temperatura wtrysku, aby zamiast tego ustawić temperaturę cząsteczek przed dodaniem ich do pojemnika.
• Gdy temperatura układu spadnie poniżej 0,5 K, na wyświetlaczu pojawi się 0 K. Ruch cząsteczek zostanie ostatecznie zatrzymany, jeśli pojemnik będzie dalej chłodzony, choć może to zająć trochę czasu.
• Histogramy energii i energii kinetycznej mają charakter jakościowy. Automatyczne skalowanie osi Y z poziomymi liniami reprezentującymi 50 cząstek. Osie X są statyczne i w rzadkich przypadkach niektóre dane mogą wykraczać poza skalę. Dane odświeżają się co 1 ps.
• Strzałki przepływu cząsteczek są proporcjonalne do liczby cząsteczek, które przekroczyły linię środkową i są uśredniane w czasie 300 ps.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Opisz związek między zderzeniami cząsteczek ze ściankami a ciśnieniem.
• Zaprojektuj doświadczenie w celu ustalenia związku między dwiema właściwościami gazu, takimi jak ciśnienie p i temperatura T.
• Określ zależności między ciśnieniem, objętością, temperaturą i liczbą cząsteczek gazu.
• Porównaj i skontrastuj wpływ przesuwania ścianki pojemnika na temperaturę układu na ekranach Doskonały i Badaj. Jaki wpływ na zmianę temperatury ma prędkość przesuwania ścianki?
• Opisz kształt rozkładu szybkości. Który rodzaj cząsteczek jest średnio szybszy? Co się dzieje, gdy zderzenia cząsteczka-cząsteczka są wyłączone?
• Wyjaśnij, w jaki sposób mieszają się dwa gazy.
• Opisz, co reprezentują strzałki natężenia przepływu cząsteczek.
• Zaprojektuj doświadczenie w celu określenia czynników wpływających na szybkość dyfuzji.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Gazy - właściwości tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).