Что такое кинетическая теория?

Кинетическая теория - это научная теория о природе газов. Эта теория получила множество названий, включая кинетическую теорию газов, кинетически-молекулярную теорию, теорию столкновений и кинетически-молекулярную теорию газов. Это объясняет наблюдаемые и измеримые, также называемые макроскопические, свойства газов с точки зрения их молекулярного состава и активности. В то время как Исаак Ньютон предположил, что давление газа обусловлено статическим отталкиванием между молекулами, кинетическая теория считает, что давление является результатом столкновений между молекулами.

Кинетическая теория делает ряд предположений о газах. Во-первых, газ состоит из очень маленьких частиц, каждая с ненулевой массой, постоянно движущихся случайным образом. Количество молекул в пробе газа должно быть достаточно большим для статистического сравнения.

Кинетическая теория предполагает, что молекулы газа являются совершенно сферическими и упругими, и что их столкновения со стенками их контейнера также являются упругими, что означает, что они не приводят к какому-либо изменению скорости. Общий объем молекул газа незначителен по сравнению с общим объемом их контейнера, а это означает, что между молекулами достаточно места. Кроме того, время при столкновении молекулы газа со стенкой контейнера незначительно по сравнению со временем между столкновениями с другими молекулами. Теория далее опирается на предположение, что любые релятивистские или квантово-механические эффекты пренебрежимо малы и что любые воздействия газовых частиц друг на друга пренебрежимо малы, за исключением силы, возникающей при столкновениях. Температура является единственным фактором, влияющим на среднюю кинетическую энергию или энергию, обусловленную движением частиц газа.

Эти предположения должны быть сохранены для того, чтобы уравнения кинетической теории функционировали. Газ, удовлетворяющий всем этим предположениям, является упрощенной теоретической сущностью, известной как идеальный газ. Реальные газы обычно ведут себя так же, как и идеальные газы, чтобы кинетические уравнения были полезны, но модель не совсем точна.

Кинетическая теория определяет давление как силу, оказываемую молекулами газа, когда они сталкиваются со стенкой контейнера. Давление рассчитывается как сила на площадь, или P = F / A. Сила - это произведение количества молекул газа N на массу каждой молекулы m и квадрата их средней скорости v ^2, _{среднеквадратичное значение} , деленное на трехкратную длину контейнера, 3l. Поэтому мы имеем следующее уравнение для силы: F = Nmv ² _rms / 3l. Аббревиатура rms означает среднеквадратичное значение, среднее по скорости всех частиц.

Уравнение для давления составляет P = Nmv ² _rms / 3Al. Поскольку площадь, умноженная на длину, равна объему, V, это уравнение может быть упрощено как P = Nmv ² _rms / 3V. Произведение давления и объема, PV, равно двум третям общей кинетической энергии, или K, что позволяет получить макроскопические свойства из микроскопического.

Важной частью кинетической теории является то, что кинетическая энергия изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре газа. Кинетическая энергия равна произведению абсолютной температуры T и постоянной Больцмана k _B , умноженной на 3/2; K = 3Tk _B / 2. Следовательно, всякий раз, когда температура увеличивается, кинетическая энергия увеличивается, и никакие другие факторы не влияют на кинетическую энергию.