Khí lí tưởng như một hộp động học phân tử
Quan sát định luật Newton tác dụng lên từng hạt và xem áp suất nảy sinh từ các va chạm với pit-tông.
Mục tiêu
Liên hệ bức tranh vi mô — tốc độ, tần số va chạm — với định luật vĩ mô PV = nRT.
Dụng cụ và hoá chất
Mô phỏng MD đĩa cứng với N = 60 hạt, pit-tông di động và các điều khiển nhiệt độ, thể tích.
Cách làm
- Đặt T = 300 K và V ở mức giữa; để các hạt nhiệt động hoá và ghi nhận chuyển động.
- Tăng T lên tới 1000 K và so sánh tốc độ trung bình cùng tần số va vào thành.
- Giảm V ở T không đổi: hộp hẹp lại và va chạm với thành thường xuyên hơn — P tăng như 1/V.
- Ước lượng độ thay đổi tương đối: gấp đôi T gần như gấp đôi động năng trung bình, nhưng tốc độ căn trung bình chỉ tăng √2 lần.
Điều cần quan sát
- Áp suất không phải đầu vào mà là hệ quả: va chạm thành thường xuyên và mạnh hơn khi T cao hơn hoặc V nhỏ hơn.
- Va chạm giữa các hạt làm ngẫu nhiên hoá hướng và tốc độ mà không đổi động năng trung bình — dấu hiệu của sự nhiệt động hoá.
Giải thích
Mỗi hạt tuân theo F = ma; bộ điều nhiệt được thay bằng việc chuẩn hoá tốc độ toàn cục theo T. Trong phần mềm MD thực (LAMMPS, GROMACS) cùng một vòng lặp tích phân phương trình Newton với trường lực Lennard-Jones hoặc trường lực từ lượng tử, và áp suất được tính từ virial của các lực thành/hạt. Mô hình đĩa cứng ở đây là tổ tiên của những mô phỏng đó — và nó đã cho thấy dao động của các đại lượng tức thời quanh giá trị trung bình tập hợp.
Lịch sử và bối cảnh
Nhà hoá học liên quan
Chủ đề liên quan
Thí nghiệm ảo: một mô hình đơn giản hoá để xây dựng trực giác. Nó không thay thế thực hành thật và huấn luyện an toàn; không tự làm lại tại nhà khi không có người hướng dẫn.