Кинетическая теория газов – это научная модель, которая объясняет физическое поведение газа как движение молекулярных частиц, составляющих газ. В этой модели субмикроскопические частицы (атомы или молекулы), составляющие газ, постоянно перемещаются случайным образом, постоянно сталкиваясь не только друг с другом, но и со стенками любого контейнера, в котором находится газ. Именно это движение приводит к физическим свойствам газа, таким как тепло и давление.
Кинетическая теория газов также называется просто кинетическая теория , или кинетическая модель , или кинетико-молекулярная модель . Его также можно разными способами применять как к жидкостям, так и к газам. (Пример броуновского движения, обсуждаемый ниже, применяет кинетическую теорию к жидкостям.)
История кинетической теории
Греческий философ Лукреций был сторонником ранней формы атомизма, хотя в течение нескольких столетий от него в значительной степени отказывались в пользу физической модели газов, построенной на неатомных работах Аристотеля. Без теории материи как крошечных частиц кинетическая теория не получила бы своего развития в рамках этих аристотелевских рамок.
Работа Даниэля Бернулли представила кинетическую теорию Европейская аудитория, с его публикацией 1738 года Hydrodynamica . В то время не были установлены даже такие принципы, как сохранение энергии, и поэтому многие его подходы не получили широкого распространения. В течение следующего столетия кинетическая теория получила более широкое распространение среди ученых как часть растущей тенденции к принятию учеными современного взгляда на материю как на состоящую из атомов.
Один из стержней в экспериментальном подтверждении кинетической теории и атомизма в целом был связан с броуновским движением. Это движение крошечной частицы, взвешенной в жидкости, которая под микроскопом беспорядочно дергается. В известной статье 1905 года Альберт Эйнштейн объяснил броуновское движение в терминах случайных столкновений с частицами, составляющими жидкость. Эта статья явилась результатом работы Эйнштейна над докторской диссертацией, в которой он создал формулу диффузии, применив статистические методы к этой проблеме. Аналогичный результат был независимо получен польским физиком Марианом Смолуховским, опубликовавшим свою работу в 1906 году. Вместе эти приложения кинетической теории во многом подтвердили идею о том, что жидкости и газы (и, вероятно, также твердые тела) состоят из крошечные частицы.
Предположения кинетической молекулярной теории
Кинетическая теория включает ряд предположений, которые сосредоточены на способности поговорим об идеальном газе.
- Молекулы рассматриваются как точечные частицы. В частности, одним из следствий этого является то, что их размер чрезвычайно мал по сравнению со средним расстоянием между частицами..
- Количество молекул ( N ) очень велико, до такой степени, что отслеживание поведения отдельных частиц невозможно. Вместо этого для анализа поведения системы в целом применяются статистические методы.
- Каждая молекула рассматривается как идентичная любой другой молекуле. Они взаимозаменяемы по своим различным свойствам. Это снова подтверждает идею о том, что отдельные частицы не нужно отслеживать и что статистических методов теории достаточно, чтобы делать выводы и прогнозы.
- Молекулы постоянны, случайное движение. Они подчиняются законам движения Ньютона.
- Столкновения между частицами и между частицами и стенками контейнера для газа являются совершенно упругими столкновениями.
- Стены из контейнеры с газами считаются абсолютно жесткими, не двигаются и бесконечно массивны (по сравнению с частицами).
Результат эти предположения заключаются в том, что у вас есть газ в контейнере, который беспорядочно перемещается внутри контейнера. Когда частицы газа сталкиваются со стенкой контейнера, они отскакивают от стенки контейнера в совершенно упругом столкновении, что означает, что если они ударяются под углом 30 градусов, они отскакивают от него под углом 30 градусов. угол. Составляющая их скорости, перпендикулярная стороне контейнера, меняет направление, но сохраняет ту же величину.
Закон идеального газа
Кинетическая теория газов важна тем, что набор вышеупомянутых предположений приводит нас к выводу закона идеального газа или уравнения идеального газа, которое связывает давление ( p ), объем ( V ) и температуры ( T ) через постоянную Больцмана ( k ) и количество молекул ( N ). В результате получается уравнение идеального газа:
pV = NkT