Kinetična molekularna teorija plinov

The kinetična teorija plinov je znanstveni model, ki razlaga fizično obnašanje plina kot gibanje molekulskih delcev, ki sestavljajo plin. V tem modelu se submikroskopski delci (atomi ali molekule), ki sestavljajo plin, nenehno premikajo noter naključno gibanje, ki se nenehno trka ne samo med seboj, ampak tudi ob straneh katerega koli zabojnika, ki je plin znotraj. To gibanje povzroči fizikalne lastnosti plina, kot sta toplota in pritisk.

Kinetično teorijo plinov imenujemo tudi samo kinetična teorija, ali kinetični model, ali kinetično-molekularni model. Na več načinov se lahko uporablja tudi za tekočine in plin. (Primer Brownovo gibanje, ki je obravnavana spodaj, uporablja kinetično teorijo za tekočine.)

Grški filozof Lukrecij je bil zagovornik zgodnje oblike atomizma, čeprav je bil to v veliki meri več stoletij zavrženi v prid fizičnemu modelu plinov, zgrajenim na neatomskem delu od Aristotel. Brez teorije o materiji kot drobnih delcev se kinetična teorija v tem Aristotelovem okviru ni razvila.

Delo Daniela Bernoullija je evropskemu občinstvu predstavil kinetično teorijo z objavo leta 1738 Hidrodinamika. Takrat še niso bila vzpostavljena načela, kot je ohranjanje energije, zato veliko njegovih pristopov ni bilo široko sprejetih. V naslednjem stoletju je kinetična teorija postala bolj razširjena med znanstveniki kot del naraščajočega trenda, da znanstveniki prevzamejo sodoben pogled na materijo, sestavljeno iz atomov.

Eden od linčkov, ki je eksperimentalno potrdil kinetično teorijo, in atomizem je splošen, je bil povezan z Brownovim gibanjem. To je gibanje drobnega delca, suspendiranega v tekočini, ki se pod mikroskopom zdi, da naključno trka. V priznanem prispevku iz leta 1905 je dr. Albert Einstein razložil Brownovo gibanje v smislu naključnih trkov z delci, ki so sestavljali tekočino. Ta članek je bil rezultat Einsteina doktorska naloga delo, kjer je ustvaril difuzijsko formulo z uporabo statističnih metod za problem. Podoben rezultat je neodvisno opravil poljski fizik Marian Smoluchowski, ki je svoje delo objavil leta 1906. Skupaj so te uporabe kinetične teorije daleč podprle idejo, da so tekočine in plini (in verjetno tudi trdne snovi) sestavljeni iz drobnih delcev.

Kinetična teorija vključuje številne predpostavke, ki se osredotočajo na to, da lahko govorimo o tem idealen plin.

• Molekule se obravnavajo kot točkovni delci. Konkretno, ena posledica tega je, da je njihova velikost izredno majhna v primerjavi s povprečno razdaljo med delci.
• Število molekul (N) je zelo velik, kolikor sledenja vedenja posameznih delcev ni mogoče. Namesto tega se uporabljajo statistične metode za analizo vedenja sistema kot celote.
• Vsaka molekula se obravnava enako kot vsaka druga molekula. Glede na različne lastnosti so medsebojno zamenljivi. To spet pomaga podpirati idejo, da posameznih delcev ni treba spremljati in da so statistične metode teorije dovolj za sklepe in napovedi.
• Molekule so v stalnem, naključnem gibanju. Ubogajo Newtonovi zakoni gibanja.
• Trki med delci in med delci in stenami posode za plin so popolnoma elastični trki.
• Stene posod s plini se obravnavajo kot popolnoma toge, se ne premikajo in so neskončno masivne (v primerjavi z delci).

Rezultat teh predpostavk je, da imate plin v posodi, ki se naključno giblje znotraj posode. Ko delci plina trčijo ob stran posode, odbijejo stran posode v a popolnoma elastičen trk, kar pomeni, da če udarijo pod kotom 30 stopinj, se odbijejo pri 30 stopinjah kota. Sestavni del njihove hitrosti, pravokoten na stran posode, spremeni smer, vendar ohrani enako velikost.

Kinetična teorija plinov je pomembna, saj nas nabor zgornjih predpostavk izpelje iz zakona o idealnem plinu ali enačbe idealnega plina, ki povezuje tlak (str), prostornina (V) in temperaturo (T), v smislu Boltzmannove konstante (k) in število molekul (N). Rezultat enačbe idealnega plina je:

pV = NkT