Co to jest teoria kinetyczna?
Teoria kinetyczna to teoria naukowa dotycząca natury gazów. Teoria ta nosi wiele nazw, w tym kinetyczną teorię gazów, kinetyczno-molekularną teorię, teorię zderzeń oraz kinetyczno-molekularną teorię gazów. Wyjaśnia obserwowalne i mierzalne, zwane również makroskopowymi, właściwości gazów pod względem ich składu molekularnego i aktywności. Podczas gdy Isaac Newton wysunął teorię, że ciśnienie gazu jest spowodowane odpychaniem statycznym między cząsteczkami, teoria kinetyczna utrzymuje, że ciśnienie jest wynikiem zderzeń między cząsteczkami.
Teoria kinetyczna przyjmuje szereg założeń dotyczących gazów. Po pierwsze, gaz składa się z bardzo małych cząstek, z których każda ma niezerową masę, stale poruszając się w sposób losowy. Liczba cząsteczek w próbce gazu musi być wystarczająco duża do porównania statystycznego.
Teoria kinetyczna zakłada, że cząsteczki gazu są idealnie kuliste i elastyczne, a ich zderzenia ze ściankami pojemnika są również elastyczne, co oznacza, że nie powodują żadnej zmiany prędkości. Całkowita objętość cząsteczek gazu jest nieznaczna w porównaniu z całkowitą objętością ich pojemnika, co oznacza, że między cząsteczkami jest wystarczająca przestrzeń. Ponadto czas zderzenia cząsteczki gazu ze ścianą pojemnika jest nieznaczny w stosunku do czasu między zderzeniami z innymi cząsteczkami. Teoria opiera się ponadto na założeniu, że wszelkie efekty relatywistyczne lub kwantowo-mechaniczne są nieistotne, a wszelkie oddziaływanie cząstek gazu na siebie jest nieistotne, z wyjątkiem siły wywieranej przez zderzenia. Temperatura jest jedynym czynnikiem wpływającym na średnią energię kinetyczną lub energię wynikającą z ruchu cząstek gazu.
Te założenia muszą zostać zachowane, aby równania teorii kinetycznej mogły działać. Gaz spełniający wszystkie te założenia jest uproszczoną jednostką teoretyczną znaną jako gaz idealny. Gazy rzeczywiste zwykle zachowują się wystarczająco podobnie do gazów idealnych, aby równania kinetyczne były przydatne, ale model nie jest idealnie dokładny.
Teoria kinetyczna definiuje ciśnienie jako siłę wywieraną przez cząsteczki gazu zderzające się ze ścianą pojemnika. Ciśnienie oblicza się jako siłę na powierzchnię lub P = F / A. Siła jest iloczynem liczby cząsteczek gazu, N, masy każdej cząsteczki, m oraz kwadratu ich średniej prędkości, v 2 rms , wszystkie podzielone przez trzykrotną długość pojemnika, 3l. Dlatego mamy następujące równanie siły: F = Nmv 2 rms / 3l. Skrót rms oznacza średnią kwadratową, średnią prędkości wszystkich cząstek.
Równanie ciśnienia wynosi P = Nmv 2 rms / 3Al. Ponieważ powierzchnia pomnożona przez długość jest równa objętości, V, równanie to można uprościć jako P = Nmv 2 rms / 3V. Iloczyn ciśnienia i objętości, PV, jest równy dwóm trzecim całkowitej energii kinetycznej, czyli K, umożliwiając wyprowadzenie makroskopowych właściwości z mikroskopijnej.
Ważną częścią teorii kinetycznej jest to, że energia kinetyczna zmienia się wprost proporcjonalnie do absolutnej temperatury gazu. Energia kinetyczna jest równa iloczynowi temperatury absolutnej, T i stałej Boltzmana, kB, pomnożonej przez 3/2; K = 3 Tk B / 2. Dlatego za każdym razem, gdy temperatura wzrasta, energia kinetyczna wzrasta, a żadne inne czynniki nie wpływają na energię kinetyczną.