Kinetická molekulárna teória plynov

Model plynov ako pohybujúcich sa častíc

Kinetická molekulárna teória plynov predpokladá, že častice plynu pôsobia ako tvrdé, úplne elastické gule.

Yagi Studio/Getty Images

The kinetická teória plynov je vedecký model, ktorý vysvetľuje fyzikálne správanie plynu ako pohyb molekulárnych častíc, ktoré tvoria plyn. V tomto modeli sa submikroskopické častice (atómy alebo molekuly), ktoré tvoria plyn, neustále pohybujú náhodným pohybom a neustále narážajú nielen do seba, ale aj do strán akejkoľvek nádoby, v ktorej sa plyn nachádza. Práve tento pohyb má za následok fyzikálne vlastnosti plynu, ako je teplo a tlak .

Kinetická teória plynov sa nazýva aj len kinetická teória , alebo kinetický model, alebo kineticko-molekulárny model . Môže sa tiež mnohými spôsobmi aplikovať na tekutiny, ako aj na plyn. (Príklad Brownov pohyb , diskutované nižšie, aplikuje kinetickú teóriu na tekutiny.)

História kinetickej teórie

Grécky filozof Lucretius bol zástancom ranej formy atomizmu, aj keď to bolo na niekoľko storočí do značnej miery zavrhnuté v prospech fyzikálneho modelu plynov postaveného na neatómovej práci Aristoteles . Bez teórie hmoty ako malých častíc sa kinetická teória v tomto Aristotelovom rámci nerozvinula.

Práca Daniela Bernoulliho predstavila kinetickú teóriu európskemu publiku vo svojej publikácii z roku 1738 Hydrodynamica . V tom čase ešte neboli stanovené ani princípy, ako je zachovanie energie, a tak veľa jeho prístupov nebolo široko prijatých. Počas nasledujúceho storočia sa kinetická teória medzi vedcami rozšírila ako súčasť rastúceho trendu smerujúceho k vedcom, ktorí si osvojili moderný pohľad na hmotu ako zloženú z atómov.

Jeden zo základných pilierov pri experimentálnom potvrdení kinetickej teórie, a atomizmus je všeobecný, súvisel s Brownovým pohybom. Ide o pohyb drobnej častice suspendovanej v kvapaline, ktorá sa pod mikroskopom náhodne trhá. V uznávanom dokumente z roku 1905 Albert Einstein vysvetlil Brownov pohyb v zmysle náhodných zrážok s časticami, ktoré tvorili kvapalinu. Tento dokument bol výsledkom Einsteinovho doktorandská práca práce, kde aplikovaním štatistických metód na problém vytvoril difúzny vzorec. Podobný výsledok nezávisle od seba urobil poľský fyzik Marian Smoluchowski, ktorý publikoval svoju prácu v roku 1906. Spoločne tieto aplikácie kinetickej teórie výrazne podporili myšlienku, že kvapaliny a plyny (a pravdepodobne aj pevné látky) sa skladajú z drobné čiastočky.

Predpoklady kinetickej molekulárnej teórie

Kinetická teória zahŕňa množstvo predpokladov, ktoré sa zameriavajú na schopnosť hovoriť o ideálny plyn .

• S molekulami sa zaobchádza ako s bodovými časticami. Konkrétne z toho vyplýva, že ich veľkosť je extrémne malá v porovnaní s priemernou vzdialenosťou medzi časticami.
• Počet molekúl ( N ) je veľmi veľký do takej miery, že sledovanie správania jednotlivých častíc nie je možné. Namiesto toho sa na analýzu správania systému ako celku používajú štatistické metódy.
• Každá molekula sa považuje za identickú s akoukoľvek inou molekulou. Sú zameniteľné z hľadiska ich rôznych vlastností. To opäť pomáha podporiť myšlienku, že jednotlivé častice nie je potrebné sledovať a že štatistické metódy teórie sú dostatočné na to, aby sa dospelo k záverom a predpovediam.
• Molekuly sú v neustálom, náhodnom pohybe. Poslúchajú Newtonove pohybové zákony .
• Zrážky medzi časticami a medzi časticami a stenami nádoby na plyn sú dokonalé elastické kolízie .
• Steny nádob s plynmi sú spracované ako dokonale tuhé, nepohybujú sa a sú nekonečne masívne (v porovnaní s časticami).

Výsledkom týchto predpokladov je, že v nádobe máte plyn, ktorý sa v nádobe pohybuje náhodne. Keď sa častice plynu zrazia so stenou nádoby, odrazia sa od steny nádoby v dokonale elastickej kolízii, čo znamená, že ak narazí pod uhlom 30 stupňov, odrazia sa pod uhlom 30 stupňov. uhol. Zložka ich rýchlosti kolmá na stranu nádoby mení smer, ale zachováva si rovnakú veľkosť.

Zákon ideálneho plynu

Kinetická teória plynov je významná v tom, že vyššie uvedené predpoklady nás vedú k odvodeniu zákona ideálneho plynu alebo rovnice ideálneho plynu, ktorá súvisí s tlakom ( p ), hlasitosť ( V ) a teplotu ( T ), v zmysle Boltzmannovej konštanty ( k ) a počet molekúl ( N ). Výsledná rovnica ideálneho plynu je:

pV = NkT