Какова средняя кинетическая энергия вращательного движения молекулы водорода при температуре 300 К? Какова суммарная

Для решения этой задачи мы можем использовать формулу для средней кинетической энергии вращательного движения молекулы. Формула имеет вид:

$$E_{\text{к}}=\frac{1}{2}I{\omega }^2$$

где $E_{\text{к}}$ - средняя кинетическая энергия вращательного движения молекулы, $I$ - момент инерции молекулы, и $\omega$ - угловая скорость вращения молекулы.

Мы можем найти момент инерции молекулы водорода, используя известные значения для массы молекулы и ее геометрическую форму. Для линейного двухатомного газа, такого как водород (H2), момент инерции будет равен:

$$I=\mu r^2$$

где $\mu$ - приведенная масса молекулы, а $r$ - расстояние между атомами.

Для молекулы водорода, приведенная масса $\mu$ будет равна половине массы молекулы H2, так как она состоит из двух атомов. Масса молекулы водорода равна примерно 2 г/моль, следовательно, приведенная масса будет равна 1 г/моль.

Мы также знаем, что расстояние между атомами в молекуле водорода составляет около 74 пикометров (74 × ${10}^{-12}$ м). Мы можем использовать это значение для рассчета момента инерции.

Следовательно:

$$I=1\text{ г/моль}\times (\frac{74\times {10}^{-12}\text{ м}}{1\text{ моль}}{)}^2$$

Теперь мы можем рассчитать значение угловой скорости $\omega$ при температуре 300 К, используя формулу:

$$\omega =\sqrt{\frac{8\text{kT}}{{\pi }^{2}I}}$$

где $k$ - постоянная Больцмана и равняется $1.38\times {10}^{-23}\text{ Дж/К}$.

Подставив известные значения в формулу, мы получим:

$$\omega =\sqrt{\frac{8\times (1.38\times {10}^{-23}\text{ Дж/К})\times (300\text{ К})}{{\pi }^2\times I}}$$

Рассчитав угловую скорость $\omega$, мы можем найти среднюю кинетическую энергию вращательного движения молекулы $E_{\text{к}}$ через формулу:

$$E_{\text{к}}=\frac{1}{2}I{\omega }^2$$

Для получения суммарной кинетической энергии всех молекул водорода, мы должны умножить среднюю кинетическую энергию на число молекул водорода.

Мы определим число молекул водорода через формулу Лосчмидта:

$$N=\frac{PV}{RT}$$

где $N$ - число молекул, $P$ - давление газа, $V$ - объем газа, $R$ - универсальная газовая постоянная ($8.314\text{ моль/К}\cdot \text{Дж}$), и $T$ - температура газа в кельвинах.

Мы можем выбрать значения $P$ и $V$ таким образом, чтобы получить состояние, достаточно близкое к обычным условиям, например, $P=1\text{ атм}$ и $V=1\text{ л}$.

Используя все эти значения и формулы, мы сможем рассчитать среднюю кинетическую энергию вращательного движения молекулы водорода при температуре 300 К и суммарную кинетическую энергию всех молекул водорода.

Если вам нужны численные значения и окончательные расчеты, пожалуйста, укажите значения для давления и объема газа.