Teoria moleculelor cinetice a gazelor

Teoria cinetică a gazelor este un model științific care explică comportamentul fizic al unui gaz ca mișcare a particulelor moleculare care compun gazul. În acest model, particulele submicroscopice (atomii sau moleculele) care alcătuiesc gazul se mișcă continuu în mișcare aleatorie, ciocnindu-se constant nu numai între ele, ci și cu laturile oricărui recipient în care se află gazul. Această mișcare are ca rezultat proprietățile fizice ale gazului, cum ar fi căldura și presiunea.

Teoria cinetică a gazelor se mai numește doar teoria cinetică, sau model cinetic, sau model cinetic-molecular. Poate fi, de asemenea, în multe moduri aplicat la lichide, precum și la gaz. (Exemplul mișcării Brownian, discutat mai jos, aplică teoria cinetică fluidelor.)

Istoria teoriei cinetice

Filozoful grec Lucreți a fost un susținător al unei forme timpurii de atomism, deși acest lucru a fost în mare parte aruncat timp de câteva secole în favoarea unui model fizic de gaze construit pe baza operei non-atomice a lui Aristotel. Fără o teorie a materiei sub formă de particule minuscule, teoria cinetică nu s-a dezvoltat în cadrul acestui cadru aristotelic.

Opera lui Daniel Bernoulli a prezentat teoria cinetică unui public european, cu publicarea sa din 1738 Hydrodynamica. La vremea respectivă, nici măcar principii precum conservarea energiei nu au fost stabilite și astfel o mulțime de abordări ale sale nu au fost adoptate pe scară largă. În următorul secol, teoria cinetică a devenit mai larg adoptată în rândul oamenilor de știință, ca parte a unei tendințe în creștere către oamenii de știință care adoptă concepția modernă a materiei ca fiind compusă din atomi.

Unul dintre lincpinii care confirmă experimental teoria cinetică, iar atomismul este general, a fost legat de mișcarea browniană. Aceasta este mișcarea unei particule minuscule suspendate într-un lichid, care la microscop pare să se agite la întâmplare. Într-o hârtie apreciată din 1905, Albert Einstein a explicat mișcarea lui Brownian în ceea ce privește coliziunile aleatorii cu particulele care compun lichidul. Această lucrare a fost rezultatul lucrării de doctorat a lui Einstein, unde a creat o formulă de difuzie prin aplicarea metodelor statistice la problemă. Un rezultat similar a fost realizat independent de fizicianul polonez Marian Smoluchowski, care și-a publicat lucrarea în 1906. Împreună, aceste aplicații ale teoriei cinetice au mers mult timp pentru a susține ideea că lichidele și gazele (și, probabil, și solide) sunt compuse din particule minuscule.

Ipoteze ale teoriei moleculare cinetice

Teoria cinetică implică o serie de presupuneri care se concentrează pe posibilitatea de a vorbi despre un gaz ideal.

• Moleculele sunt tratate ca particule punctuale. Mai exact, o implicație a acestui fapt este că mărimea lor este extrem de mică în comparație cu distanța medie dintre particule.
• Numărul de molecule (N) este foarte mare, în măsura în care nu este posibilă urmărirea comportamentelor individuale ale particulelor. În schimb, metodele statistice sunt aplicate pentru a analiza comportamentul sistemului în ansamblu.
• Fiecare moleculă este tratată la fel ca orice altă moleculă. Acestea sunt schimbabile în ceea ce privește diversele proprietăți ale acestora. Acest lucru ajută din nou la susținerea ideii că particulele individuale nu trebuie să fie urmărite și că metodele statistice ale teoriei sunt suficiente pentru a ajunge la concluzii și predicții..
• Moleculele sunt în mișcare constantă, aleatoare. Ei se supun legilor mișcării lui Newton.
• Coliziunile dintre particule și între particulele și pereții unui recipient pentru gaz sunt coliziuni perfect elastice.
• Pereții containerelor de gaze sunt tratate ca fiind perfect rigide, nu se mișcă și sunt infinit de masive (în comparație cu particulele).

Rezultatul acestor presupuneri este că aveți un gaz într-un container care se mișcă în mod aleatoriu în interiorul containerului. Când particulele de gaz se ciocnesc cu partea laterală a containerului, acestea sări de pe partea laterală a containerului într-o coliziune perfect elastică, ceea ce înseamnă că, dacă lovesc la un unghi de 30 de grade, vor sări la 30 de grade unghi. Componenta vitezei lor perpendiculară pe latura containerului schimbă direcția, dar păstrează aceeași mărime.

Legea gazelor ideale

Teoria cinetică a gazelor este semnificativă, prin faptul că setul de presupuneri de mai sus ne determină să derivăm legea ideală a gazelor sau ecuația gazelor ideale, care raportează presiunea (p), volum (V) și temperatura (T), în termenii constantei Boltzmann (k) și numărul de molecule (N). Ecuația gazului ideal rezultat este:

pV = nKT