Che cos'è la teoria cinetica?
La teoria cinetica è una teoria scientifica relativa alla natura dei gas. La teoria prende molti nomi, tra cui la teoria cinetica dei gas, la teoria cinetico-molecolare, la teoria delle collisioni e la teoria cinetico-molecolare dei gas. Spiega le proprietà osservabili e misurabili, chiamate anche macroscopiche, dei gas in termini di composizione molecolare e attività. Mentre Isaac Newton ha teorizzato che la pressione di un gas è dovuta alla repulsione statica tra le molecole, la teoria cinetica sostiene che la pressione è il risultato di collisioni tra molecole.
La teoria cinetica fa una serie di ipotesi sui gas. Innanzitutto, un gas è costituito da particelle molto piccole, ciascuna con massa diversa da zero, che si muovono costantemente in modo casuale. Il numero di molecole in un campione di gas deve essere abbastanza grande per il confronto statistico.
La teoria cinetica presume che le molecole di gas siano perfettamente sferiche ed elastiche e che anche le loro collisioni con le pareti del loro contenitore siano elastiche, il che significa che non determinano alcun cambiamento di velocità. Il volume totale delle molecole di gas è trascurabile rispetto al volume totale del loro contenitore, il che significa che c'è un ampio spazio tra le molecole. Inoltre, il tempo durante la collisione di una molecola di gas con la parete del contenitore è trascurabile in relazione al tempo tra le collisioni con altre molecole. La teoria si basa inoltre sul presupposto che qualsiasi effetto relativistico o quantistico-meccanico è trascurabile e che eventuali effetti delle particelle di gas l'uno sull'altro sono trascurabili, ad eccezione della forza esercitata dalle collisioni. La temperatura è l'unico fattore che influenza l'energia cinetica media, o energia dovuta al movimento, delle particelle di gas.
Questi presupposti devono essere mantenuti affinché le equazioni della teoria cinetica funzionino. Un gas che soddisfa tutte queste ipotesi è un'entità teorica semplificata nota come gas ideale. I gas reali di solito si comportano in modo abbastanza simile ai gas ideali per rendere utili le equazioni cinetiche, ma il modello non è perfettamente accurato.
La teoria cinetica definisce la pressione come la forza esercitata dalle molecole di gas quando si scontrano con la parete del contenitore. La pressione viene calcolata come forza per area o P = F / A. La forza è il prodotto del numero di molecole di gas, N, la massa di ciascuna molecola, m, e il quadrato della loro velocità media, v 2 rms , tutti divisi per tre volte la lunghezza del contenitore, 3l. Pertanto, abbiamo la seguente equazione per la forza: F = Nmv 2 rms / 3l. L'abbreviazione, rms, sta per radice-media-quadrato, una media della velocità di tutte le particelle.
L'equazione per la pressione è P = Nmv 2 rms / 3Al. Poiché l'area moltiplicata per la lunghezza è uguale al volume, V, questa equazione può essere semplificata come P = Nmv 2 rms / 3V. Il prodotto di pressione e volume, PV, è pari a due terzi dell'energia cinetica totale, o K, permettendo la derivazione di proprietà macroscopiche da una microscopica.
Una parte importante della teoria cinetica è che l'energia cinetica varia in proporzione diretta alla temperatura assoluta di un gas. L'energia cinetica è uguale al prodotto della temperatura assoluta, T e della costante di Boltzman, kB, moltiplicata per 3/2; K = 3Tk B / 2. Pertanto, ogni volta che la temperatura viene aumentata, l'energia cinetica aumenta e nessun altro fattore influisce sull'energia cinetica.