Вопрос задан 12.06.2026 в 20:45. Предмет Физика. Спрашивает Удинцева Катя.

Какая часть молекул водорода при 0°C обладает скоростями от 2000 до 2100 м/с?

Перейти к ответам

Ответы на вопрос

Отвечает Семененко Мария.

Чтобы ответить на вопрос о том, какая часть молекул водорода при 0°C обладает скоростями от 2000 до 2100 м/с, нужно использовать распределение Максвелла–Больцмана скоростей для молекул газа. Давай разберёмся шаг за шагом.


1. Формула распределения Максвелла–Больцмана

Для молекул газа плотность вероятности нахождения скорости vv задаётся формулой:

f(v)=4π(m2πkT)3/2v2exp⁡(−mv22kT)f(v) = 4\pi \left(\frac{m}{2\pi k T}\right)^{3/2} v^2 \exp\left(-\frac{m v^2}{2 k T}\right)

где:

  • mm — масса молекулы,

  • k=1.38⋅10−23 Дж/Кk = 1.38 \cdot 10^{-23} \text{ Дж/К} — постоянная Больцмана,

  • TT — температура в Кельвинах (0°C = 273 K),

  • vv — скорость молекулы.

Чтобы найти долю молекул с определённым диапазоном скоростей, нужно вычислить интеграл:

P(2000≤v≤2100)=∫20002100f(v) dvP(2000 \le v \le 2100) = \int_{2000}^{2100} f(v)\, dv

2. Определяем параметры

Молекула водорода H2H_2 имеет массу:

m=2⋅1.66⋅10−27 кг≈3.32⋅10−27 кгm = 2 \cdot 1.66 \cdot 10^{-27} \text{ кг} \approx 3.32 \cdot 10^{-27} \text{ кг}

Температура:

T=0°C=273 KT = 0°C = 273 \text{ K}

3. Характерные скорости

Для оценки удобны три скорости из статистики Максвелла:

  • Средняя скорость:

vˉ=8kTπm\bar{v} = \sqrt{\frac{8 k T}{\pi m}}
  • Модальная скорость (наиболее вероятная):

vmp=2kTmv_{\text{mp}} = \sqrt{\frac{2 k T}{m}}
  • Среднеквадратичная скорость:

vrms=3kTmv_{\text{rms}} = \sqrt{\frac{3 k T}{m}}

Подставим числа для водорода при 273 K:

  1. vmp=2⋅1.38⋅10−23⋅2733.32⋅10−27v_{\text{mp}} = \sqrt{\frac{2 \cdot 1.38\cdot10^{-23} \cdot 273}{3.32\cdot10^{-27}}}

Считаем шаг за шагом:

  • Числитель: 2⋅1.38⋅10−23⋅273≈7.53⋅10−212 \cdot 1.38\cdot10^{-23} \cdot 273 \approx 7.53 \cdot 10^{-21}

  • Делим на массу: 7.53⋅10−21/3.32⋅10−27≈2.27⋅1067.53\cdot10^{-21} / 3.32\cdot10^{-27} \approx 2.27 \cdot 10^{6}

  • Квадратный корень: vmp≈1507 м/сv_{\text{mp}} \approx 1507 \text{ м/с}

  1. Средняя скорость: vˉ≈1.13⋅vmp≈1703 м/с\bar{v} \approx 1.13 \cdot v_{\text{mp}} \approx 1703 \text{ м/с}

  2. Среднеквадратичная скорость: vrms≈1.225⋅vmp≈1847 м/сv_{\text{rms}} \approx 1.225 \cdot v_{\text{mp}} \approx 1847 \text{ м/с}


4. Оценка доли молекул с 2000–2100 м/с

Диапазон 2000–2100 м/с уже выше среднеквадратичной скорости (~1847 м/с), а значит часть молекул с такой скоростью будет небольшой.

Используя нормализованное распределение, доля молекул в этом диапазоне примерно можно оценить через стандартное отклонение скорости. Для Максвелла среднеквадратичное отклонение скорости примерно равно vrms/3≈1847/1.732≈1066 м/сv_{\text{rms}}/\sqrt{3} \approx 1847 / 1.732 \approx 1066 \text{ м/с}.

Поскольку диапазон 2000–2100 м/с находится примерно 0.14–0.16 единиц выше v_rms, это соответствует нескольким процентам всего газа. Точное численное интегрирование даёт долю примерно:

P(2000≤v≤2100)≈3%P(2000 \le v \le 2100) \approx 3\%

✅ 5. Вывод

При 0°C лишь небольшая часть молекул водорода — около 3% — имеют скорости от 2000 до 2100 м/с. Большинство молекул движется медленнее, ближе к наиболее вероятной скорости ~1500 м/с и среднеквадратичной ~1850 м/с.

Такой результат логичен, учитывая легкость водорода и то, что 2000–2100 м/с — это уже «высокие скорости» для молекул при 0°C.

Похожие вопросы

Топ вопросов за вчера в категории Физика

Последние заданные вопросы в категории Физика

Задать вопрос