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阿伏伽德羅常量 日常生活中的計數單位是多少個1?

2024-03-24 20:54:27教學視頻43

以下為修改后的文字內容kEE物理好資源網(原物理ok網)

首先我們看一下日常生活中的一些計數單位:1打=12、1分=20等等。這種用法在一定意義上是為了方便而約定的。 例如:“一打啤酒”、“一打”等日常用語。 (事實上??,一千=10^3、一百萬=10^6等也是類似的計數單位。)kEE物理好資源網(原物理ok網)

那么我們言歸正傳,看看微觀粒子(分子、原子等)。 粒子的數量(N)通常很大。 當這個概念實際運用時,很容易達到10^{23}的量級(例如28.00g的氮氣中大約有6.022^{23}rm N_2}分子)。 可想而知,這會給科研和生產過程中的相關記錄和計算帶來不便。 因此,我們需要一個大的計數單元來方便操作。kEE物理好資源網(原物理ok網)

我們選擇的是6.×10^{23}那么大的“計數單位”,我們將如此多的粒子稱為“1摩爾”。kEE物理好資源網(原物理ok網)

但對于物理量,我們也要注意其單位,而不是簡單粗暴地劃等號。 物質的量(n)的國際單位是摩爾(mol); 而粒子數(N)則沒有單位(或單位為1),因為我們只能說有多少個“數”,而不能說有多少個。 有多少個“一”(否則會重復)。 那么我們當然不能說“1摩爾等于多少個1”,因為不同國際單位的物理量不可能相等。kEE物理好資源網(原物理ok網)

感謝@子衿提出問題。 在溝通過程中,讓我重新審視“數”這個單位問題,有了更準確的認識。kEE物理好資源網(原物理ok網)

(2021年11月15日)kEE物理好資源網(原物理ok網)

現在,我們來看看物質的量(space of space)是如何定義的:n=frac{N}{N_{A}}kEE物理好資源網(原物理ok網)

其中,n代表物質的量,分子上的N為粒子數,下面的分母為阿伏加德羅常數N_{A}=6.×10^{23}mol^{-1}(注意!有是單位)。kEE物理好資源網(原物理ok網)

我們再用“打架”來比喻。 已知:1打=12; 有一個雞蛋,設置為b打。 那么阿伏伽德羅常量,顯然有: b=frac{a}{12} (左邊是“高級”計數單元,右邊是直接數除以“轉換因子”,即實體的數量包含在一個計數單元中)。kEE物理好資源網(原物理ok網)

如果你帶單位的話,實際上應該是:=frac{一塊}{12塊/打}kEE物理好資源網(原物理ok網)

那么用物質的量類比就很容易理解了:每摩爾對應6.×10^{23}塊,所以“換算系數”就是6.×10^{23}塊/mol。 而“件”不是國際單位,視為1,那么阿伏加德羅常數的單位為mol^{-1}(件/mol)。kEE物理好資源網(原物理ok網)

這其實可以抽象成一個對應關系:數量(N)→材料數量(n)。 轉換因子是阿伏加德羅常數 N_A。 (就像1kg對應10N一樣。)kEE物理好資源網(原物理ok網)

順便再講幾個類似的例子。kEE物理好資源網(原物理ok網)

在地球上,我們將重力加速度設為 g=10space m/s2。 那么我們說質量(m)為1kg的物體的重力(G)為1N,或者說它的重量為1牛頓。 所以,在地球上,1kg相當于10N。 請注意,它是“對應”而不是“等于”。 因為只有單位相同的物理量才能相等。 寫成函數表達式,就是G=f(m)=mg(其中f表示G是m的函數)。kEE物理好資源網(原物理ok網)

這樣,我們就建立了一個對應關系:質量→重量。 由于它們是不同的物理量,所以中間有一個換算系數,解決比例系數和單位的問題。 這里是重力加速度。 (應該看出: 1space N=1space kgcdot{m}cdot s^{-2} )kEE物理好資源網(原物理ok網)

另一個例子是質能方程 E=mc2。 質量對應于能量。 中間還有一個轉換因子——真空中光速的平方(約9.0×10^{16}space m^2cdot s^{-2})。 這個對應關系是:質量→能量。kEE物理好資源網(原物理ok網)

其實,這個“對應”的含義,用現代數學術語來說,就是“函數”。 而且,這種單位之間的對應關系一般是簡單的比例函數,所謂的“換算系數”就是比例系數。kEE物理好資源網(原物理ok網)

如果我們看摩爾空間質量會更容易理解。 摩爾質量(M)的定義是每單位量物質的質量(即M=frac{m}{n})。 SI 單位的值是每摩爾物質的千克數,但在化學中,單位通常是 g/mol,因此該值恰好等于相對分子(或原子)質量。kEE物理好資源網(原物理ok網)

這類似于密度 ρ = m/V - 物體每單位體積的質量。 對應關系是體積→質量。 這里的換算系數是密度阿伏伽德羅常量,它不是通用常數,而是因物質而異。kEE物理好資源網(原物理ok網)

同樣,物質的數量→質量。 摩爾質量是轉換因子,它也因物質而異。kEE物理好資源網(原物理ok網)

BTW,這兩個物理量的定義方法在物理學中被稱為“比率定義法”。 這種定義方法常常定義“換算系數”(如密度、發熱量、速度、加速度、電阻、電容等),建立“對應關系”。 這個比例是物質(物體)本身的屬性,與定義中使用的分子和分母這兩個物理量無關。kEE物理好資源網(原物理ok網)

可見,在理解公式和物理量時,通過單位做一些類比推理,可以得到更清晰的理解。 這大概就是一點維度分析的思路吧。kEE物理好資源網(原物理ok網)

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