Kinetisk molekylær teori for gasser

En modell av gasser som bevegelige partikler

Den kinetiske molekylære teorien om gasser antar at gasspartikler fungerer som harde, fullstendig elastiske kuler.

Yagi Studio/Getty Images

De kinetisk teori om gasser er en vitenskapelig modell som forklarer den fysiske oppførselen til en gass som bevegelsen til de molekylære partiklene som utgjør gassen. I denne modellen beveger de submikroskopiske partiklene (atomer eller molekyler) som utgjør gassen seg kontinuerlig rundt i tilfeldig bevegelse, og kolliderer konstant ikke bare med hverandre, men også med sidene av enhver beholder som gassen befinner seg i. Det er denne bevegelsen som resulterer i fysiske egenskaper til gassen som varme og press .

Den kinetiske teorien om gasser kalles også bare kinetisk teori , eller kinetisk modell, eller kinetisk-molekylær modell . Det kan også på mange måter brukes på væsker så vel som gass. (Eksemplet på Brownsk bevegelse , diskutert nedenfor, anvender den kinetiske teorien på væsker.)

Historien om den kinetiske teorien

Den greske filosofen Lucretius var en talsmann for en tidlig form for atomisme, selv om denne i stor grad ble forkastet i flere århundrer til fordel for en fysisk modell av gasser bygget på det ikke-atomære arbeidet til Aristoteles . Uten en teori om materie som små partikler, ble den kinetiske teorien ikke utviklet innenfor dette aristoteliske rammeverket.

Arbeidet til Daniel Bernoulli presenterte den kinetiske teorien for et europeisk publikum, med sin utgivelse fra 1738 av Hydrodynamica . På den tiden hadde ikke til og med prinsipper som bevaring av energi blitt etablert, og derfor ble mange av hans tilnærminger ikke tatt i bruk. I løpet av det neste århundret ble den kinetiske teorien mer utbredt tatt i bruk blant forskere, som en del av en økende trend mot at forskere adopterte det moderne synet på materie som sammensatt av atomer.

En av lynchpins i eksperimentelt bekrefte den kinetiske teorien, og atomisme er generell, var relatert til Brownsk bevegelse. Dette er bevegelsen til en liten partikkel suspendert i en væske, som under et mikroskop ser ut til å rykke rundt. I et anerkjent papir fra 1905, Albert Einstein forklarte Brownsk bevegelse i form av tilfeldige kollisjoner med partiklene som utgjorde væsken. Denne artikkelen var resultatet av Einsteins doktorgradsavhandling arbeid, hvor han laget en diffusjonsformel ved å bruke statistiske metoder på problemet. Et lignende resultat ble uavhengig utført av den polske fysikeren Marian Smoluchowski, som publiserte sitt arbeid i 1906. Sammen gikk disse anvendelsene av kinetisk teori langt for å støtte ideen om at væsker og gasser (og sannsynligvis også faste stoffer) er sammensatt av små partikler.

Forutsetninger for kinetisk molekylær teori

Den kinetiske teorien innebærer en rekke antakelser som fokuserer på å kunne snakke om en ideell gass .

• Molekyler behandles som punktpartikler. Spesielt er en implikasjon av dette at størrelsen deres er ekstremt liten sammenlignet med den gjennomsnittlige avstanden mellom partikler.
• Antall molekyler ( N ) er veldig stor, i den grad at sporing av individuell partikkelatferd ikke er mulig. I stedet brukes statistiske metoder for å analysere oppførselen til systemet som helhet.
• Hvert molekyl behandles som identisk med alle andre molekyler. De er utskiftbare når det gjelder deres ulike egenskaper. Dette er igjen med på å støtte ideen om at individuelle partikler ikke trenger å holdes styr på, og at de statistiske metodene i teorien er tilstrekkelige til å komme frem til konklusjoner og spådommer.
• Molekyler er i konstant, tilfeldig bevegelse. De adlyder Newtons bevegelseslover .
• Kollisjoner mellom partiklene, og mellom partiklene og veggene i en beholder for gassen, er perfekt elastiske kollisjoner .
• Vegger av beholdere med gasser behandles som perfekt stive, beveger seg ikke og er uendelig massive (i forhold til partiklene).

Resultatet av disse antakelsene er at du har en gass i en beholder som beveger seg tilfeldig rundt i beholderen. Når partikler av gassen kolliderer med siden av beholderen, spretter de av siden av beholderen i en perfekt elastisk kollisjon, noe som betyr at hvis de treffer i en 30-graders vinkel, vil de sprette av i en 30-graders vinkel. vinkel. Komponenten av deres hastighet vinkelrett på siden av beholderen endrer retning, men beholder samme størrelse.

Den ideelle gassloven

Den kinetiske teorien om gasser er signifikant, ved at settet med antakelser ovenfor fører oss til å utlede den ideelle gassloven, eller ideell gassligning, som relaterer trykket ( s ), volum ( I ), og temperatur ( T ), når det gjelder Boltzmann-konstanten ( k ) og antall molekyler ( N ). Den resulterende ideelle gassligningen er:

pV = NkT