熱物理学
物質の構造と分子運動論
密閉容器内の気体分子の無秩序な熱運動と、壁との衝突が圧力を生む仕組みを観察します。平均運動エネルギーが温度に対応する と を定性的に確かめます。
器具
- ランダムに運動する分子点を含む仮想密閉容器
- 分子の特徴的速度を調整する温度スライダー
- 容器内の分子数 N のスライダー
- 容器壁と衝突・圧力の表示
手順
熱運動を観察する
中程度の温度でシミュレーションを実行し、一つの分子を追います。軌道は折れ線状で、他の分子や壁との衝突ごとに向きを変えます。壁への各衝突は運動量を伝え、これらの衝撃の平均が圧力を生みます。
温度を上げる
温度スライダーを上げると、分子の運動が速くなり壁への衝突が頻繁かつ強くなります。特徴的速度は に比例するため、平均運動エネルギーは T に比例します。 と一致します。
分子数を変える
T を固定して N を増やすと、壁への衝突密度が比例して増え、圧力は に従い大きくなります。V、T を固定して N を2倍にしたときの圧力を予測し、図と照合しましょう。
シミュレーション
実験の歴史
1738年、ダニエル・ベルヌーイは『流体力学』で運動する粒子の衝突から気体圧力を導きましたが、この考えはすぐに忘れられました。19世紀にジョン・ヘラパス（1820）、ジョン・ジェームズ・ウォーターストン（1845、掲載拒否）、アウグスト・クレーニヒ（1856）が運動論モデルを再構築しました。
ルドルフ・クラウジウスは1857年に平均自由行路を含む厳密なモデルを示し、ジェームズ・クラーク・マクスウェル（1859–1860）が速度の統計分布を見出し、ルートヴィヒ・ボルツマンが運動方程式（1872）へ一般化しました。ロバート・ブラウンが観察したブラウン運動（1827）をジャン・ペランが定量測定し（1908）、分子の実在性がついに証明されました。