Kinetic Molecular Theory of Gases

Den kinetiska teorin om gaser är en vetenskaplig modell som förklarar det fysiska beteendet hos en gas som rörelse hos molekylpartiklarna som komponerar gasen. I denna modell rör sig de submikroskopiska partiklarna (atomer eller molekyler) som utgör gasen kontinuerligt runt i slumpmässig rörelse, och ständigt kolliderar inte bara med varandra utan också med sidorna på vilken behållare som gasen är i. Det är denna rörelse som resulterar i gasens fysiska egenskaper såsom värme och tryck.

Den kinetiska teorin om gaser kallas också bara kinetisk teori, eller den kinetisk modell, eller den kinetisk-molekylär modell. Det kan också på många sätt appliceras på såväl vätskor som gas. (Exemplet med brunisk rörelse, som diskuteras nedan, tillämpar den kinetiska teorin på vätskor.)

Den kinetiska teorins historia

Den grekiska filosofen Lucretius var en förespråkare för en tidig form av atomism, även om detta till stor del kasserades under flera århundraden till förmån för en fysisk modell av gaser som byggdes på Aristoteles icke-atomära verk. Utan en teori om materien som små partiklar utvecklades inte den kinetiska teorin inom denna aristotliska ram.

Daniel Bernoullis verk presenterade den kinetiska teorin för en europeisk publik med sin publicering från 1738 Hydrodynamica. På den tiden hade till och med principer som energibesparing inte fastställts, och så många av hans tillvägagångssätt antogs inte i stor utsträckning. Under nästa århundrade blev den kinetiska teorin mer utbredd bland forskare, som en del av en växande trend mot att forskare antar den moderna synen på materien som består av atomer.

En av lynchpins som experimentellt bekräftade den kinetiska teorin, och atomism är generell, var relaterad till Browns rörelse. Detta är rörelsen hos en liten partikel suspenderad i en vätska, som under ett mikroskop verkar slumpmässigt rycka. I ett hyllad papper från 1905 förklarade Albert Einstein Browns rörelse i termer av slumpmässiga kollisioner med partiklarna som komponerade vätskan. Denna artikel var resultatet av Einsteins doktorsavhandling där han skapade en diffusionsformel genom att använda statistiska metoder på problemet. Ett liknande resultat utfördes oberoende av den polska fysikern Marian Smoluchowski, som publicerade sitt arbete 1906. Tillsammans gick dessa tillämpningar av kinetisk teori långt för att stödja idén att vätskor och gaser (och troligtvis också fasta ämnen) består av små partiklar.

Antaganden om den kinetiska molekylära teorin

Den kinetiska teorin innebär ett antal antaganden som fokuserar på att kunna prata om en idealisk gas.

• Molekyler behandlas som punktpartiklar. En implikation av detta är specifikt att deras storlek är extremt liten jämfört med det genomsnittliga avståndet mellan partiklarna.
• Antalet molekyler (N) är mycket stor, i den mån spårning av enskilda partikelbeteenden inte är möjlig. Istället används statistiska metoder för att analysera beteendet hos systemet som helhet.
• Varje molekyl behandlas som identisk med någon annan molekyl. De är utbytbara med avseende på deras olika egenskaper. Detta hjälper igen till att stödja idén att enskilda partiklar inte behöver hållas reda på, och att teoriens statistiska metoder är tillräckliga för att komma fram till slutsatser och förutsägelser.
• Molekyler är i konstant, slumpmässig rörelse. De följer Newtons rörelseregler.
• Kollisioner mellan partiklarna och mellan partiklarna och väggarna i en behållare för gasen är perfekt elastiska kollisioner.
• Väggar med behållare med gaser behandlas som perfekt styva, rör sig inte och är oändligt massiva (i jämförelse med partiklarna).

Resultatet av dessa antaganden är att du har en gas i en behållare som rör sig slumpmässigt inuti behållaren. När partiklar av gasen kolliderar med sidan av behållaren, studsar de från sidan av behållaren i en perfekt elastisk kollision, vilket innebär att om de slår i en 30-graders vinkel, kommer de att studsa av vid 30 grader vinkel. Komponenten i deras hastighet vinkelrätt mot sidan av behållaren ändrar riktning men behåller samma storlek.

Den ideala gaslagen

Den kinetiska teorin om gaser är betydande genom att uppsättningen antaganden ovan leder till att vi härleder den ideala gaslagen, eller den ideala gasekvationen, som relaterar trycket (p), volym (V) och temperatur (T), i fråga om Boltzmann-konstanten (k) och antalet molekyler (N). Den resulterande ideala gasekvationen är:

pV = NKT