Was ist der mittlere freie Weg?
Ein mittlerer freier Pfad ist die durchschnittliche Länge, die ein Partikel in einer Umgebung zurücklegen kann, bevor es kollidiert, von einem anderen Partikel absorbiert wird oder mit diesem reagiert. Der Begriff wird häufig verwendet, um das Verhalten von Gasen zu diskutieren, wurde jedoch auch in den Bereichen Schall und Licht verwendet. Man könnte den mittleren freien Weg eines Spielers in einem Fußballspiel berechnen. Relativ gesehen bewegt sich ein Sauerstoffmolekül vor der Kollision viel weiter in der Luft als der Fußballspieler.
Gase sind ein Zustand oder Zustand von Materie, in dem die Moleküle so locker voneinander angezogen werden, dass sie frei fließen und das gesamte Volumen eines Behälters einnehmen. Das Volumen eines Gases ist das Volumen des Behälters. Gase können leicht komprimiert, expandiert und gemischt werden. Gase sind häufig aufgrund ihrer geringen Konzentration an Materie pro Volumeneinheit oder, anders ausgedrückt, der langen mittleren freien Wegstrecke ihrer Moleküle unsichtbar.
In der Chemie sind Berechnungen des mittleren freien Weges hilfreich, um das Gasreaktionsverhalten zu untersuchen. Der Wert des Pfades ist notwendigerweise das Ergebnis von Modellen, da es keine Möglichkeit gibt, ein Molekül zu messen oder zu verfolgen. Die Wissenschaftler untersuchen beobachtbare Parameter wie Volumen, Temperatur und Druck sowie die Größe der Moleküle im Gas und die Gaskonzentration, um das Verhalten der Gasmoleküle zu modellieren und berechnete Werte abzuleiten.
Die Luftmoleküle haben bei Standardbedingungen von 1 Atmosphäre (14,7 Pfund pro Quadratzoll), 0 Grad Celsius (32ºF) und einem angegebenen molekularen Durchmesser von 0,3 Nanometer nm (1,2 · 10 & supmin; & sup8; Zoll) a berechneter mittlerer freier Weg von 93 nm (3,6 · 10 & supmin; & sup6; Zoll). Die durchschnittliche molekulare Trennung wird bei 3,3 nm (1,3 · 10 & supmin; & sup7; Zoll) berechnet. Wenn Fußballspieler so wendig wären wie Atome, wäre ihr mittlerer freier Weg ungefähr 800 Fuß (244 Meter), basierend auf einem American-Football-Feld. Natürlich sind die Fußballspieler nicht gleichmäßig über das Feld verteilt, ebenso wie die Gasmoleküle in einem Gehege.
In Schallstudien bezieht sich der mittlere freie Pfad auf die durchschnittliche Entfernung, die ein Schallstrahl zurücklegt, bevor er von einem Hindernis reflektiert wird. Diese Berechnung ist für die Akustik wichtig und hängt vom Raumvolumen und der Gesamtfläche der Wände, der Decke und des Bodens des Raums ab. Akustische Studien sind zwar kompliziert, aber quantifizierbar, da die Geschwindigkeit von Schallwellen unter einer Vielzahl von Bedingungen genau gemessen werden kann.
Bei Untersuchungen der Lichtstreuung durch Gase oder Flüssigkeiten werden Berechnungen des Streumittels für den freien Pfad verwendet. Diese sind definiert als die durchschnittliche Entfernung, die ein Photon zurücklegt, bevor ein Streuereignis aufgrund einer Kollision oder Absorption des Photons auftritt. Die Berechnungen können verwendet werden, um solche Dinge wie Wassertrübung und Konzentrationen verschiedener Lösungen zu bestimmen. Teetrinker beobachten die Streuung des freien Mittelwerts, um festzustellen, ob ihr Tee ausreichend aufgebrüht ist.