Was ist kinetische Theorie?
Die kinetische Theorie ist eine wissenschaftliche Theorie zur Natur von Gasen. Die Theorie hat viele Namen, einschließlich der kinetischen Theorie der Gase, der kinetischen Molekulartheorie, der Kollisionstheorie und der kinetischen Molekulartheorie der Gase. Es erklärt die beobachtbaren und messbaren, auch makroskopischen, Eigenschaften von Gasen hinsichtlich ihrer molekularen Zusammensetzung und Aktivität. Während Isaac Newton die Theorie aufstellte, dass der Druck eines Gases durch statische Abstoßung zwischen Molekülen verursacht wird, geht die kinetische Theorie davon aus, dass der Druck das Ergebnis von Kollisionen zwischen Molekülen ist.
Die kinetische Theorie macht eine Reihe von Annahmen über Gase. Erstens besteht ein Gas aus sehr kleinen Partikeln mit einer Masse ungleich Null, die sich ständig in zufälliger Weise bewegen. Die Anzahl der Moleküle in einer Gasprobe muss für einen statistischen Vergleich groß genug sein.
Die kinetische Theorie geht davon aus, dass Gasmoleküle perfekt kugelförmig und elastisch sind und dass ihre Kollisionen mit den Wänden ihres Behälters ebenfalls elastisch sind, was bedeutet, dass sie zu keiner Geschwindigkeitsänderung führen. Das Gesamtvolumen der Gasmoleküle ist im Vergleich zum Gesamtvolumen ihres Behälters vernachlässigbar, was bedeutet, dass zwischen den Molekülen ausreichend Platz ist. Außerdem ist die Zeit während der Kollision eines Gasmoleküls mit der Behälterwand im Verhältnis zur Zeit zwischen den Kollisionen mit anderen Molekülen vernachlässigbar. Die Theorie beruht ferner auf der Annahme, dass alle relativistischen oder quantenmechanischen Effekte vernachlässigbar sind und dass alle Auswirkungen der Gaspartikel aufeinander vernachlässigbar sind, mit Ausnahme der durch Kollisionen ausgeübten Kraft. Die Temperatur ist der einzige Faktor, der die durchschnittliche kinetische Energie oder die Bewegungsenergie der Gasteilchen beeinflusst.
Diese Annahmen müssen beibehalten werden, damit die Gleichungen der kinetischen Theorie funktionieren. Ein Gas, das all diese Annahmen erfüllt, ist eine vereinfachte theoretische Einheit, die als ideales Gas bekannt ist. Reale Gase verhalten sich normalerweise ähnlich wie ideale Gase, damit kinetische Gleichungen nützlich sind, aber das Modell ist nicht genau genug.
Die kinetische Theorie definiert Druck als die Kraft, die Gasmoleküle ausüben, wenn sie mit der Behälterwand kollidieren. Der Druck wird als Kraft pro Fläche oder P = F / A berechnet. Die Kraft ist das Produkt aus der Anzahl der Gasmoleküle N, der Masse jedes Moleküls m und dem Quadrat ihrer Durchschnittsgeschwindigkeit v 2 rms geteilt durch das Dreifache der Länge des Behälters 3l. Daher haben wir die folgende Gleichung für die Kraft: F = Nmv 2 rms / 3l. Die Abkürzung rms steht für Root Mean Square, einen Durchschnitt der Geschwindigkeit aller Partikel.
Die Druckgleichung lautet P = Nmv 2 rms / 3Al. Da die Fläche multipliziert mit der Länge gleich dem Volumen V ist, kann diese Gleichung vereinfacht werden als P = Nmv 2 rms / 3V. Das Produkt aus Druck und Volumen, PV, entspricht zwei Dritteln der gesamten kinetischen Energie oder K, was die Herleitung makroskopischer Eigenschaften aus mikroskopischen Eigenschaften ermöglicht.
Ein wichtiger Teil der kinetischen Theorie ist, dass sich die kinetische Energie direkt proportional zur absoluten Temperatur eines Gases ändert. Die kinetische Energie ist gleich dem Produkt der absoluten Temperatur T und der Boltzman-Konstante k B , multipliziert mit 3/2; K = 3Tk B / 2. Wenn die Temperatur erhöht wird, steigt daher die kinetische Energie, und keine anderen Faktoren wirken sich auf die kinetische Energie aus.