Kinetisk molekylær teori om gasser

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

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

Den greske filosofen Lucretius var talsmann for en tidlig form for atomisme, selv om dette stort sett var det forkastet i flere hundre år til fordel for en fysisk modell av gasser bygd på det ikke-atomære arbeidet av

Verket til Daniel Bernoulli presenterte kinetisk teori for et europeisk publikum, med sin publisering fra 1738 av Hydrodynamica. På det tidspunktet hadde til og med prinsipper som energibesparing ikke blitt etablert, og mange av hans tilnærminger ble ikke bredt brukt. I løpet av det neste århundret ble den kinetiske teorien mer utbredt blant forskere, som del av en økende trend mot forskere som tok i bruk det moderne synet på materie som sammensatt av atomer.

En av lynchpins i å eksperimentelt bekrefte kinetisk teori, og atomisme er generell, var relatert til Brownsk bevegelse. Dette er bevegelsen til en liten partikkel opphengt i en væske, som under et mikroskop ser ut til å runke tilfeldig. I et anerkjent papir fra 1905 Albert Einstein forklarte Brownsk bevegelse når det gjelder tilfeldige kollisjoner med partiklene som komponerte væsken. Denne artikkelen var resultatet av Einsteins doktorgradsavhandling arbeid, der han opprettet 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. Til 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 ørsmå partikler.

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

• Molekyler blir behandlet som punktpartikler. Spesielt en implikasjon av dette er at deres størrelse er ekstremt liten i forhold til den gjennomsnittlige avstanden mellom partikler.
• Antall molekyler (N) er veldig stor, i den grad sporing av individuell partikkelatferd ikke er mulig. I stedet brukes statistiske metoder for å analysere atferden til systemet som helhet.
• Hvert molekyl blir behandlet som identisk med ethvert annet molekyl. De er utskiftbare når det gjelder de forskjellige egenskapene. Dette hjelper igjen med å støtte ideen om at individuelle partikler ikke trenger å holdes oversikt over, 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 forutsetningene er at du har en gass i en beholder som beveger seg tilfeldig innenfor 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 slår i en 30-graders vinkel, vil de sprette av i en 30-grad vinkel. Komponenten av deres hastighet vinkelrett på siden av beholderen endrer retning, men beholder den samme størrelsesorden.

Den kinetiske teorien om gasser er betydelig, ved at settet av antakelser ovenfor fører til at vi avleder den ideelle gassloven, eller den ideelle gassligningen, som relaterer trykket (p), volum (V) og temperatur (T), når det gjelder Boltzmann-konstanten (k) og antall molekyler (N). Den resulterende ideelle gassligningen er:

pV = nKT