Particle Box – 運動分子論シミュレーター

遊べる原子の箱 気体に関するすべて（その温度、圧力、あるいはそれが本当に気体であるかどうか）は、1つの単純な絵から来ています。それは、絶えず動き、衝突する小さな粒子です。それが運動分子論であり、これがライブのシミュレーションです。 上の箱は、録画を再生しているアニメーションではありません。数百個の粒子が跳ね返る実際のシミュレーションです。圧力と速度分布は、それらの衝突から直接測定され、温度はスライダーで設定した値（サーモスタットのように）に維持されます。 温度は、あなたが設定した粒子の平均運動エネルギーの尺度です。運動エネルギーは、物体が動いているために持つエネルギーです。質量mで速度vで動く粒子は、KE = ½ m v²の運動エネルギーを持ちます。したがって、2倍速く動く粒子は4倍の運動エネルギーを持ちます。この箱では、すべての原子は同じ質量を持つため、運動エネルギーは速度のみに依存します。速い黄色い原子が最も多くのエネルギーを持ち、遅い青い原子が最も少ないエネルギーを持ちます。色のグラデーションは実際にはエネルギーマップです。 このシミュレーター全体が基づいている中心的な考えは、温度は粒子あたりの平均運動エネルギーであるということです。個々の原子のエネルギー（常に速いものと遅いものがある）ではなく、それらすべての平均です。だから、温度スライダーをドラッグすると、温度の読み取り値が要求した値と一致するまで、すべての原子の速度が穏やかに再スケーリングされるのです。それを一番下までスライドさせると、すべての原子が完全に停止します。その点が絶対零度です。平均運動エネルギーゼロ、運動ゼロ、圧力ゼロです。 理想気体の法則、一度に1つの変数 スライダーをドラッグすると、気体の法則は暗記する公式ではなく、観察できるものになります。それらはすべて、単一の式、理想気体の法則：PV = nRTの断片です。 その中のすべての記号は、箱の中で見たり設定したりできるものです。P（圧力）は圧力の読み取り値です。原子が壁にどれだけ強く、どれくらいの頻度で当たるかです。V（体積）は体積スライダーです。箱のサイズ（ここでは箱が2Dなので面積）です。n（気体の量）は粒子スライダーです。箱の中の原子の数です。T（温度）は温度の読み取り値です。粒子あたりの平均運動エネルギーです。R（気体定数）は、単位をバランスさせるための固定された数値です。それに触れることはありません。 一緒に読むと、この法則はPVがnTに比例すると述べています。したがって、2つの量を固定して3つ目を変更すると、4つ目は従わざるを得なくなります。ボイル、ゲイ＝リュサック、アボガドロがそれぞれ気体の法則を見つけたのはまさにこの方法です。1つのものを変更し、残りを固定し、何が動くかを観察します。ここで同じことをしてください。これらの3つの結果は、暗記すべき別々の事実ではありません。それらは、一度に1つの変数だけを取り出した単一の式PV = nRTです。（箱は個々の粒子を数えますが、教科書の法則はモルを数えます。これは定数のみを変更し、関係は変更しません。なぜなら、化学者はアボガドロ数個の粒子を各モルにバンドルするだけだからです。そのバンドルこそがモルの全体的なポイントです。） ガスから液体へ、そして固体へ 実際の粒子はお互いに少し引っ張り合います。これは、結合の極性や分子間力の背後にあるのと同じ引力です。凝集力スライダーを上げると、その引力がオンになります。粒子が熱いうちはそれを無視して気体のままですが、冷やすと引力が勝ちます。これらは物質の3つの状態であり、それらの間で切り替えるのに必要なエネルギーは、水循環を駆動するエネルギーと引力の同じ競争です。熱が水を沸騰させて蒸気にし、冷却がそれを液体に戻します。 正直なモデル これは相対単位の2D教育モデルですが、物理学は本物であり、偽造ではありません。原子は、実際のペアポテンシャル（ソフトな反発コアと短い範囲の引力井戸（レナード・ジョーンズの精神））の下で、速度 Verlet 積分によって移動します。基盤となるダイナミクスは保存的です（そのポテンシャルでの速度 Verlet はエネルギーを保存します）。そして、サーモスタットは、設定した温度を維持するために、各ステップで穏やかにエネルギーを追加または削除します（これも箱が凝縮時に「潜熱」を放出する方法です）。 あなたが観察するすべては、これらのルールから生じます。壁への衝突からの圧力、マクスウェル・ボルツマン速度曲線、気体の法則（PV ∝ NT）、そして凝縮そのものです。なぜなら、熱運動は実際に引力と競合するからです。私たちはそのすべてをビルドで検証します。 正直な注意点：これは2Dであり、相対単位です（実際の圧力や融点を予測するものではありません）。固体対液体のラベルは、原子がどれだけ密に詰まっているか、そしてどれだけ冷たいかから読み取られます。「絶対零度」は、すべての運動が停止する古典的な限界を意味します（実際の物質はわずかな量子ゼロ点運動を維持します）。ガスが凝縮すると、圧力は正しくゼロに向かって低下します。クラスター化された原子は壁に当たるのをやめます（それがポイントであり、グリッチではありません）。 あなたのサイトやLMSに無料で埋め込むことができます。分子ビルダーで分子を構築したり、それらの分子がバランスの取れた方程式で反応するとどうなるかを確認したりしてください。