Κινητική Μοριακή Θεωρία Αερίων

ο κινητική θεωρία των αερίων είναι ένα επιστημονικό μοντέλο που εξηγεί τη φυσική συμπεριφορά ενός αερίου ως κίνηση των μοριακών σωματιδίων που συνθέτουν το αέριο. Σε αυτό το μοντέλο, τα υπομικροσκοπικά σωματίδια (άτομα ή μόρια) που συνθέτουν το αέριο μετακινούνται συνεχώς τυχαία κίνηση, συνεχώς συγκρούονται όχι μόνο μεταξύ τους αλλά και με τις πλευρές οποιουδήποτε δοχείου που είναι το αέριο στα πλαίσια. Αυτή η κίνηση έχει ως αποτέλεσμα φυσικές ιδιότητες του αερίου, όπως θερμότητα και πίεση.

Η κινητική θεωρία των αερίων ονομάζεται επίσης μόνο η κινητική θεωρία, ή το κινητικό μοντέλο, ή το κινητικό μοριακό μοντέλο. Μπορεί επίσης να εφαρμοστεί με πολλούς τρόπους σε υγρά και σε αέρια. (Το παράδειγμα του Brownian κίνηση, που συζητείται παρακάτω, εφαρμόζει την κινητική θεωρία σε υγρά.)

Ο Έλληνας φιλόσοφος Lucretius ήταν υποστηρικτής μιας πρώιμης μορφής ατομισμού, αν και αυτό ήταν σε μεγάλο βαθμό απορρίπτονται για αρκετούς αιώνες υπέρ ενός φυσικού μοντέλου αερίων που βασίζεται στην μη ατομική εργασία του

Το έργο του Daniel Bernoulli παρουσίασε την κινητική θεωρία σε ένα ευρωπαϊκό κοινό, με τη δημοσίευσή του του 1738 Υδροδυναμική. Εκείνη την εποχή, ακόμη και αρχές όπως η διατήρηση της ενέργειας δεν είχαν τεκμηριωθεί, και έτσι πολλές από τις προσεγγίσεις του δεν υιοθετήθηκαν ευρέως. Κατά τον επόμενο αιώνα, η κινητική θεωρία υιοθετήθηκε ευρύτερα από τους επιστήμονες, ως μέρος μιας αυξανόμενης τάσης προς τους επιστήμονες να υιοθετήσουν τη σύγχρονη άποψη της ύλης ως αποτελούμενης από άτομα.

Ένας από τους lynchpins που επιβεβαιώνουν πειραματικά την κινητική θεωρία και ο ατομισμός είναι γενικός, σχετίζεται με την κίνηση Brownian. Αυτή είναι η κίνηση ενός μικροσκοπικού σωματιδίου εναιωρούμενου σε ένα υγρό, το οποίο κάτω από ένα μικροσκόπιο φαίνεται να τυλίγει τυχαία. Σε ένα αναγνωρισμένο χαρτί του 1905, Albert Einstein εξήγησε την κίνηση Brownian σε όρους τυχαίων συγκρούσεων με τα σωματίδια που συνθέτουν το υγρό. Αυτό το έγγραφο ήταν το αποτέλεσμα του Αϊνστάιν διδακτορική διατριβή εργασίας, όπου δημιούργησε μια φόρμουλα διάχυσης εφαρμόζοντας στατιστικές μεθόδους στο πρόβλημα. Παρόμοιο αποτέλεσμα πραγματοποιήθηκε ανεξάρτητα από τον Πολωνό Φυσικό Marian Smoluchowski, ο οποίος δημοσίευσε το έργο του το 1906. Μαζί, αυτές οι εφαρμογές της κινητικής θεωρίας προχώρησαν σε μεγάλο βαθμό στην υποστήριξη της ιδέας ότι τα υγρά και τα αέρια (και, πιθανώς, και τα στερεά) αποτελούνται από μικροσκοπικά σωματίδια.

Η κινητική θεωρία περιλαμβάνει μια σειρά από υποθέσεις που επικεντρώνονται στο να μπορούμε να μιλάμε για ένα ιδανικό αέριο.

• Τα μόρια αντιμετωπίζονται ως σωματίδια σημείου. Συγκεκριμένα, μία συνέπεια αυτής είναι ότι το μέγεθός τους είναι εξαιρετικά μικρό σε σύγκριση με τη μέση απόσταση μεταξύ των σωματιδίων.
• Ο αριθμός των μορίων (Ν) είναι πολύ μεγάλη, στο βαθμό που δεν είναι δυνατή η παρακολούθηση της συμπεριφοράς μεμονωμένων σωματιδίων. Αντ 'αυτού, εφαρμόζονται στατιστικές μέθοδοι για την ανάλυση της συμπεριφοράς του συστήματος στο σύνολό του.
• Κάθε μόριο αντιμετωπίζεται ως ταυτόσημο με οποιοδήποτε άλλο μόριο. Είναι εναλλάξιμα ως προς τις διάφορες ιδιότητές τους. Αυτό βοηθά και πάλι στη στήριξη της ιδέας ότι τα μεμονωμένα σωματίδια δεν χρειάζεται να παρακολουθούνται και ότι οι στατιστικές μέθοδοι της θεωρίας αρκούν για να καταλήξουν σε συμπεράσματα και προβλέψεις.
• Τα μόρια είναι σε συνεχή και τυχαία κίνηση. Υποκρίνονται Νόμοι κίνησης του Νεύτωνα.
• Συγκρούσεις μεταξύ των σωματιδίων και μεταξύ των σωματιδίων και των τοιχωμάτων ενός δοχείου για το αέριο είναι τέλεια ελαστικές συγκρούσεις.
• Οι τοίχοι των δοχείων αερίων αντιμετωπίζονται ως τέλεια άκαμπτοι, δεν κινούνται και είναι απείρως μαζικοί (σε σύγκριση με τα σωματίδια).

Το αποτέλεσμα αυτών των υποθέσεων είναι ότι έχετε ένα αέριο μέσα σε ένα δοχείο που κινείται τυχαία μέσα στο δοχείο. Όταν τα σωματίδια του αερίου συγκρούονται με την πλευρά του δοχείου, αναπηδούν από την πλευρά του δοχείου σε α απόλυτα ελαστική σύγκρουση, πράγμα που σημαίνει ότι αν χτυπήσουν σε γωνία 30 μοιρών, θα αναπηδήσουν σε απόσταση 30 μοιρών γωνία. Το συστατικό της ταχύτητας τους κάθετο προς την πλευρά του δοχείου αλλάζει κατεύθυνση αλλά διατηρεί το ίδιο μέγεθος.

Η κινητική θεωρία των αερίων είναι σημαντική, καθώς το σύνολο των υποθέσεων που προαναφέρθηκαν μας οδηγεί στο να βγάλουμε τον ιδανικό νόμο για το αέριο ή την ιδανική εξίσωση αερίων που συνδέει την πίεση (Π), Ενταση ΗΧΟΥ (V) και τη θερμοκρασία (Τ), από την άποψη της σταθεράς Boltzmann (κ) και τον αριθμό των μορίων (Ν). Η προκύπτουσα ιδανική εξίσωση αερίου είναι:

pV = NkT