Kaasujen kineettinen molekyyliteoria

kaasujen kineettinen teoria on tieteellinen malli, joka selittää kaasun fysikaalisen käyttäytymisen kaasun muodostavien molekyylihiukkasten liikkeinä. Tässä mallissa kaasun muodostavat submikroskooppiset hiukkaset (atomit tai molekyylit) liikkuvat jatkuvasti satunnainen liike, joka törmää jatkuvasti paitsi keskenään, myös kaasun olevan säiliön sivujen kanssa sisällä. Juuri tämä liike johtaa kaasun fysikaalisiin ominaisuuksiin, kuten lämpöä ja paine.

Kaasujen kineettista teoriaa kutsutaan myös vain kineettinen teoria, tai kineettinen malli, tai kineettinen-molekyylimalli. Sitä voidaan myös monin tavoin soveltaa nesteisiin ja kaasuun. (Esimerkki Brownin liike, jota käsitellään jäljempänä, soveltaa kineettistä teoriaa nesteisiin.)

Kreikkalainen filosofi Lucretius oli puoltaja atomin varhaisessa muodossa, tosin suurelta osin joka on hylätty useiden vuosisatojen ajan fyysisen kaasumallin puolesta, joka on rakennettu ei-atomityöhön of Aristoteles. Ilman teoriaa pienistä hiukkasista, kineettinen teoria ei kehittynyt tässä Aristotelean puitteissa.

Daniel Bernoullin teos esitti kineettisen teorian eurooppalaiselle yleisölle julkaisemalla vuonna 1738 Hydrodynamica. Tuolloin jopa energiansäästön kaltaisia ​​periaatteita ei ollut vahvistettu, joten suurta osaa hänen lähestymistavoistaan ​​ei sovellettu laajasti. Seuraavan vuosisadan aikana kineettinen teoria tuli laajemmin omaksumaan tutkijoiden keskuudessa osana kasvavaa suuntausta kohti tutkijoita, jotka omaksuvat nykyaikaisen näkemyksen aineesta atomien muodostamana.

Yksi lynpineistä kineettisen teorian kokeellisessa vahvistamisessa ja atomismi on yleistä, liittyi Brownin liikkeeseen. Tämä on nesteeseen suspendoidun pienen hiukkasen liike, joka mikroskoopin alla näyttää satunnaisesti nykäilevän. Ylistämässä 1905-lehdessä Albert Einstein selitti Brownin liikkeen satunnaisilta törmäyksiltä nesteen muodostavien hiukkasten kanssa. Tämä paperi oli Einsteinin tulosta väitöskirja työ, jossa hän loi diffuusiokaavan soveltamalla tilastollisia menetelmiä ongelmaan. Samanlaisen tuloksen suoritti itsenäisesti puolalainen fyysikko Marian Smoluchowski, joka julkaisi työtään vuonna 1906. Yhdessä nämä kineettisen teorian sovellukset menivät pitkälle ajatukselle, että nesteet ja kaasut (ja todennäköisesti myös kiinteät aineet) koostuvat pienistä hiukkasista.

Kineettinen teoria sisältää useita oletuksia, jotka keskittyvät kykyyn puhua ihanteellinen kaasu.

• Molekyylejä käsitellään pistepartikkeleina. Erityisesti yksi merkitys tästä on, että niiden koko on erittäin pieni verrattuna hiukkasten keskimääräiseen etäisyyteen.
• Molekyylien lukumäärä (N) on erittäin suuri siinä määrin, että yksittäisten hiukkasten käyttäytymisen seuraaminen ei ole mahdollista. Sen sijaan tilastollisia menetelmiä käytetään analysoimaan koko järjestelmän käyttäytymistä.
• Jokainen molekyyli käsitellään identtisenä minkä tahansa muun molekyylin kanssa. Ne ovat vaihdettavissa eri ominaisuuksiensa suhteen. Tämä auttaa jälleen tukemaan ajatusta, että yksittäisiä hiukkasia ei tarvitse seurata ja että teorian tilastolliset menetelmät ovat riittävät päätelmien ja ennusteiden tekemiseen.
• Molekyylit ovat jatkuvassa, satunnaisessa liikkeessä. He tottelevat Newtonin liikelait.
• Törmäykset hiukkasten välillä ja hiukkasten ja kaasusäiliön seinämien välillä ovat täydellisiä joustavat törmäykset.
• Kaasusäiliöiden seiniä käsitellään täysin jäykinä, ne eivät liiku ja ovat äärettömän massiivisia (hiukkasiin verrattuna).

Näiden oletusten tuloksena on, että säiliössä on kaasua, joka liikkuu satunnaisesti säiliön sisällä. Kun kaasun hiukkaset törmäävät säiliön sivun kanssa, ne poistuvat säiliön sivulta a täydellisesti joustava törmäys, mikä tarkoittaa, että jos ne iskevät 30 asteen kulmassa, ne kimpoavat 30 asteen kulmassa kulma. Niiden nopeuden komponentti, joka on kohtisuorassa säiliön sivua kohti, muuttaa suuntaa, mutta säilyttää saman suuruuden.

Kaasujen kineettinen teoria on merkittävä, koska yllä olevat oletusjoukot johtavat siihen, että johdetaan paineeseen liittyvä ideaalikaasulaki tai ideaalikaasuyhtälö (p), tilavuus (V) ja lämpötila (T) Boltzmann-vakion (K) ja molekyylien lukumäärä (N). Tuloksena oleva ideaalikaasuyhtälö on:

pV = NkT