A gázok kinetikai molekuláris elmélete

Az a gázok kinetikai elmélete egy tudományos modell, amely magyarázza a gáz fizikai viselkedését, mint a gázt alkotó molekuláris részecskék mozgását. Ebben a modellben a szubmikroszkópos részecskék (atomok vagy molekulák), amelyek képezik a gázt, folyamatosan mozognak véletlenszerű mozgás, amely folyamatosan ütközik nemcsak egymással, hanem a gáz bármely tartályának oldalával is belül. Ez a mozgás eredményezi a gáz fizikai tulajdonságait, mint például a hő és a gáz nyomás.

A gázok kinetikai elméletét csak a kinetikai elmélet, vagy a kinetikus modell, vagy a kinetikai-molekuláris modell. Számos szempontból alkalmazható folyadékokra és gázokra is. (Példa: Brown-mozgás, amelyet alább tárgyalunk, a kinetikai elméletet alkalmazza a folyadékokra.)

A görög filozófus, Lucretius az atomizmus korai formájának támogatója volt, bár ez nagyrészt volt amelyet évszázadok óta eldobtak a nem atommunkára épülő gázok fizikai modelljének javára nak,-nek Arisztotelész. Az anyag, mint apró részecskék elmélete nélkül, a kinetikai elmélet nem fejlődött ki ezen arisztotelészi kereten belül.

Daniel Bernoulli munkája a kinetikai elméletet mutatta be az európai közönségnek, 1738 - os kiadásával Hydrodynamica. Abban az időben még az energiamegtakarítás elveit sem alakították ki, ezért sok megközelítését nem alkalmazták széles körben. A következő évszázad folyamán a kinetikai elmélet szélesebb körben elfogadottá vált a tudósok körében, egyre növekvő tendencia részeként a tudósok felé, amelyek az atomokból álló modern szemléletmódot alkalmazzák az anyag számára.

Az egyik lynchpin, amely a kinetikai elméletet kísérletileg megerősítette, és az atomizmus általános, a Brown-mozgással kapcsolatos. Ez egy folyadékban szuszpendált apró részecske mozgása, amely mikroszkóp alatt véletlenszerűen ráncol. Egy elismert 1905-es cikkben Albert Einstein magyarázta a Brownian mozgását véletlenszerű ütközésekkel a folyadékot alkotó részecskékkel. Ez a cikk Einstein eredménye volt doktori tézis munkáját, ahol diffúziós képletet készített statisztikai módszerek alkalmazásával a problémára. Hasonló eredményt végzett függetlenül a lengyel fizikus, Marian Smoluchowski, aki 1906-ban publikálta munkáját. A kinetikai elmélet ezen alkalmazásai együttesen nagyban hozzájárultak ahhoz a gondolathoz, hogy a folyadékok és a gázok (és valószínűleg a szilárd anyagok is) apró részecskékből állnak.

A kinetikai elmélet számos feltevést tartalmaz, amelyek arra összpontosítanak, hogy képes-e egyről beszélni ideális gáz.

• A molekulákat pont részecskékként kezelik. Pontosabban, ennek egyik következménye az, hogy méretük rendkívül kicsi a részecskék közötti átlagos távolsághoz képest.
• A molekulák száma (N) nagyon nagy, olyan mértékben, hogy az egyes részecskék viselkedésének nyomon követése nem lehetséges. Ehelyett statisztikai módszereket alkalmaznak a rendszer egészének viselkedésének elemzésére.
• Mindegyik molekulát azonos módon kezelik bármely más molekulával. Különböző tulajdonságaik szerint cserélhetők. Ez ismét támogatja azt az elképzelést, hogy az egyes részecskéket nem kell nyomon követni, és hogy az elmélet statisztikai módszerei elegendőek a következtetések és előrejelzések levonásához.
• A molekulák állandó, véletlenszerű mozgásban vannak. Engedelmeskednek Newton mozgási törvényei.
• A részecskék, valamint a részecskék és a gáztartály tartályának falai között az ütközések tökéletesen tökéletesek rugalmas ütközések.
• A gáztartályok falait tökéletesen merevnek tekintik, nem mozognak, és végtelenül masszívak (a részecskékkel összehasonlítva).

Ezeknek a feltételezéseknek az eredménye, hogy van egy gáza egy tartályban, amely véletlenszerűen mozog a tartályon belül. Amikor a gáz részecskéi ütköznek a tartály oldalával, akkor a tartály oldaláról egy a tökéletesen elasztikus ütközés, ami azt jelenti, hogy ha 30 fokos szögben ütköznek, akkor 30 fokkal lepattannak szög. A sebességüknek a tartály oldalára merőleges komponense megváltoztatja az irányt, de megtartja ugyanazt a nagyságot.

A gázok kinetikai elmélete jelentős, mivel a fenti feltevések arra késztetik minket, hogy az ideális gáz törvényt vagy az ideális gáz egyenletet derítsük ki, amely összekapcsolja a nyomást (p), hangerő (V) és a hőmérséklet (T), a Boltzmann-állandó (k) és a molekulák száma (N). A kapott ideális gázegyenlet:

pV = NkT