Οργάνωση και Αλληλεπιδράσεις σε Μοριακό Επίπεδο + O C O O C O O C O O C O Ιωάννης Καπόλος Καθηγητής ΤΕΙ Πελοποννήσου Γεώργιος Καραϊσκάκης Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Τόμος Β Μόρια σε Κίνηση
Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του υποέργου 2 με τίτλο «Ανάπτυξη έντυπου εκπαιδευτικού υλικού για τα νέα Προγράμματα Σπουδών» της Πράξης «Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο» η οποία έχει ενταχθεί στο Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση» (ΕΠΕΔΒΜ) του ΕΣΠΑ (2007-2013), Άξονας Προτεραιότητας 7: «Ενίσχυση της Διά Βίου Εκπαίδευσης Ενηλίκων στις 8 Περιφέρειες Σύγκλισης» με κωδικό MIS 296121 και η οποία συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους, μέσω του Προγράμματος Δημοσίων Επενδύσεων (ΠΔΕ) του ΥΠΑΙΘ. Μόρια σε Κίνηση Σημείωση Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιμέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειμένων σύμφωνα με τη Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστημονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραμμάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδημαϊκοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.
ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Πρόγραμμα Σπουδών ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΚΑΘΗΓΗΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ Θεματική Ενότητα ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΕ ΜΟΡΙΑΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ Τόμος Β Μόρια σε Κίνηση Συγγραφή ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών ΙΩΑΝΝΗΣ ΚΑΠΟΛΟΣ Καθηγητής ΤΕΙ Πελοποννήσου Κριτική Ανάγνωση ΑΘΑΝΑΣΙΑ ΚΟΛΙΑΔΗΜΑ Επίκουρη Καθηγήτρια Πανεπιστημίου Πατρών ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Ακαδημαϊκός Υπεύθυνος για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού του ΠΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Συντονιστής για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού της ΘΕ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Ειδικός στη Μεθοδολογία της Ανοικτής και εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΟΥΛΑΟΥΖΙΔΗΣ Γλωσσική Επιμέλεια ΒΑΣΙΛΙΚΗ ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ Τεχνική Επιμέλεια Καλλιτεχνική Επιμέλεια Σελιδοποίηση ΒΙΒΛΙΟΤΕΧΝΙΑ ΠΑΠΠΑΣ ΦΩΤΙΟΣ - ΔΟΥΒΟΥ ΣΕΒΑΣΤΗ Ο.Ε. ISBN: 978-960-538-975-8 Κωδικός Έκδοσης: ΚΦΕ 52/Β Copyright 2015 για την Ελλάδα και όλο τον κόσμο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Πάροδος Αριστοτέλους 18, 26335 Περιβόλα Πατρών Τηλ.: 2610 367300, Φαξ: 2610 367650 To παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται κατά τις διατάξεις του Ελληνικού Νόμου (Ν. 2121/1993 όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει σήμερα) και τις διεθνείς συμβάσεις περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Απαγορεύεται απολύτως η άνευ γραπτής αδείας του εκδότη, κατά οποιονδήποτε τρόπο ή μέσο, αντιγραφή, φωτοανατύπωση και εν γένει αναπαραγωγή, εκμίσθωση ή δανεισμός, μετάφραση, διασκευή, αναμετάδοση στο κοινό σε οποιαδήποτε μορφή (ηλεκτρονική, μηχανική κ.λπ.) και η εν γένει εκμετάλλευση του συνόλου ή μέρους του έργου.
ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Πρόγραμμα Σπουδών ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΚΑΘΗΓΗΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ Θεματική Ενότητα ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΕ ΜΟΡΙΑΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ Τόμος Β Μόρια σε Κίνηση ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών ΙΩΑΝΝΗΣ ΚΑΠΟΛΟΣ Καθηγητής ΤΕΙ Πελοποννήσου ΠΑΤΡΑ 2015
Βιογραφικά Ο Γεώργιος Καραϊσκάκης είναι Καθηγητής στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών από το 1990 με ειδικότητα στη Φυσικοχημεία. Είναι κάτοχος πτυχίου (1971) και Διδακτορικού Διπλώματος (1977) του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών. Η έρευνά του εστιάζεται στη φυσικοχημεία των διεπιφανειών και το χαρακτηρισμό κολλοειδών υλικών και μακρομορίων και βρίσκει εφαρμογή σε σημαντικούς κλάδους της επιστήμης, όπως στο «περιβάλλον», στα «υλικά» και στα «τρόφιμα». Είναι συγγραφέας 6 διδακτικών συγγραμμάτων, πάνω από 120 επιστημονικών δημοσιεύσεων και έχει παρουσιάσει πάνω από 80 εργασίες σε διεθνή επιστημονικά συνέδρια στα παραπάνω ερευνητικά πεδία. Ο Ιωάννης Καπόλος είναι Καθηγητής στο Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων του ΤΕΙ Πελοποννήσου από το 2003 και Συνεργαζόμενο Εκπαιδευτικό Προσωπικό του ΕΑΠ στο ΜΔΕ «Μεταπτυχιακή Ειδίκευση Καθηγητών Φυσικών Επιστημών» από το 2006. Είναι πτυχιούχος Χημικός (1986) και Διδάκτορας (1993) του Τμήματος Χημείας, Διπλωματούχος Χημικός Μηχανικός (1994) και κάτοχος ΜΔΕ στη Διδακτική των Φυσικών Επιστημών (2008) του ΤΕΕΑΠΗ του Πανεπιστημίου Πατρών. Υπήρξε μεταδιδακτορικός ερευνητής του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Παν/μίου Πατρών, ενώ εργάστηκε στο Εθνικό Ίδρυμα Αγροτικής Έρευνας (Ινστιτούτο Προστασίας Φυτών Πάτρας) με αντικείμενο τον έλεγχο υπολειμμάτων γεωργικών φαρμάκων σε γεωργικά προϊόντα. Έχει δημοσιεύσει 35 ερευνητικές εργασίες σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά, 3 κεφάλαια σε συλλογικούς τόμους, ενώ έχει συμμετάσχει σε 50 διεθνή και εθνικά συνέδρια.
Περιεχόμενα Πρόλογος...13 Μέρος Α Μεταφορική κίνηση των μορίων Γ. Καραϊσκάκης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Κινητική θεωρία των αερίων Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...19 1.1 Παραδοχές της κινητικής θεωρίας...21 1.2 Πίεση ενός αερίου...22 1.3 Κινητική ενέργεια αερίων...26 1.4 Αρχή ισοκατανομής της ενέργειας...29 1.5 Κατανομή μοριακών ταχυτήτων...31 1.6 Συχνότητα συγκρούσεων...40 1.6.1 Συχνότητα συγκρούσεων μεταξύ μορίων...40 1.6.2 Συχνότητα συγκρούσεων μορίων με επιφάνεια...45 Ασκήσεις Κεφαλαίου...49 Σύνοψη...51 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...52 Βιβλιογραφία...53 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...54 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...55 Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου...60 Κατάλογος σχημάτων...61
8 ΜΟΡΙΑ ΣΕ ΚΙΝΗΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Φαινόμενα μεταφοράς Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...63 2.1 Βασικοί ορισμοί...65 2.2 Διάχυση...67 2.3 Θερμική αγωγιμότητα...80 2.4 Ιξώδες...85 2.5 Συσχέτιση συντελεστών μεταφοράς...89 Ασκήσεις Κεφαλαίου...92 Σύνοψη...94 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...95 Βιβλιογραφία...96 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...97 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...98 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...104 Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου...105 Κατάλογος σχημάτων...106 Κατάλογος πινάκων...106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Μεταφορά γνώσης στην εκπαιδευτική διαδικασία Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...107 3.1 Σχέδιο μαθήματος κινητικής θεωρίας των αερίων...109 3.1.1 Προτεινόμενο σχέδιο μαθήματος κινητικής θεωρίας αερίων...109
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 9 3.2 Σχέδιο πειράματος κινητικής θεωρίας αερίων...114 3.2.1 Προτεινόμενο σχέδιο εργαστηριακής άσκησης...114 Βιβλιογραφία...120 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...121 Κατάλογος σχημάτων...122 Κατάλογος πινάκων...122 Μέρος Β Δονητική κίνηση των μορίων Ι. Καπόλος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Δόνηση των μορίων Κλασική προσέγγιση Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...125 1.1 Εισαγωγή...127 1.2 Γιατί δονείται ένα μόριο;...128 1.3 Πόσες και ποιες δονήσεις παρουσιάζει ένα μόριο;...131 1.4 Παράγοντες που επηρεάζουν τη δόνηση ενός μορίου...137 1.4.1 Απλός αρμονικός ταλαντωτής...137 Ασκήσεις Κεφαλαίου...149 Σύνοψη...150 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...150 Βιβλιογραφία...151 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...152 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...153 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...155 Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου...157 Κατάλογος σχημάτων...158
10 ΜΟΡΙΑ ΣΕ ΚΙΝΗΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Δόνηση των μορίων Κβαντική προσέγγιση Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...159 2.1 Εισαγωγή...161 2.2 Κβαντική προσέγγιση του μοντέλου του αρμονικού ταλαντωτή...162 2.3 Η κίνηση στο μη αρμονικό ταλαντωτή Αναρμονική δόνηση...170 2.4 Ενέργεια διάσπασης του δεσμού...173 Ασκήσεις Κεφαλαίου...178 Σύνοψη...180 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...180 Βιβλιογραφία...181 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...182 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...183 Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου...185 Κατάλογος σχημάτων...186 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Μεταφορά γνώσης στην εκπαιδευτική διαδικασία Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...187 3.1 Σχέδιο μαθήματος για τη δονητική κίνηση των μορίων...189 3.1.1 Προτεινόμενο σχέδιο μαθήματος για τη δονητική κίνηση των μορίων...189
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 11 3.2 Σχέδιο πειράματος για τη μελέτη της δονητικής κίνησης των μορίων...193 3.2.1 Προτεινόμενο σχέδιο εργαστηριακής άσκησης...193 Βιβλιογραφία...198 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...199 Κατάλογος πινάκων...200 Μέρος Γ Περιστροφική κίνηση των μορίων Ι. Καπόλος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Περιστροφική κίνηση των μορίων Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...203 1.1 Εισαγωγή...205 1.2 Άξονας περιστροφής...206 1.3 Ενέργεια, συχνότητα και σταθερά περιστροφής...208 1.4 Περιστροφή ως προς δεσμό...210 1.5 Το διατομικό δονούμενο και περιστρεφόμενο μόριο...211 Ασκήσεις Κεφαλαίου...219 Σύνοψη...220 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...220 Βιβλιογραφία...221 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...222 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...223 Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου...226 Κατάλογος σχημάτων...227
12 ΜΟΡΙΑ ΣΕ ΚΙΝΗΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Μεταφορά γνώσης στην εκπαιδευτική διαδικασία Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...229 2.1 Σχέδιο μαθήματος για την περιστροφική κίνηση των μορίων...231 2.1.1 Προτεινόμενο σχέδιο μαθήματος για την περιστροφική κίνηση των μορίων...231 2.2 Σχέδιο πειράματος για τη μελέτη της περιστροφικής κίνησης των μορίων...234 2.2.1 Προτεινόμενο σχέδιο εργαστηριακής άσκησης...234 Βιβλιογραφία...242 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...243 Κατάλογος σχημάτων...244 Κατάλογος πινάκων...244