Кінетична молекулярна теорія

Кінетична молекулярна теорія

Обговорені на сьогодні експериментальні спостереження за поведінкою газів можна пояснити простою теоретичною моделлю, відомою як кінетична молекулярна теорія. Ця теорія базується на наступних постулатах або припущеннях.

  1. Гази складаються з великої кількості частинок, які поводяться як тверді сферичні предмети у стані постійного, випадкового руху.
  2. Ці частинки рухаються по прямій, поки не зіткнуться з іншою частинкою або стінками контейнера.
  3. Ці частинки набагато менше відстані між частинками. Тому більша частина об'єму газу - це порожній простір.
  4. Між частинками газу, а також між частинками та стінками контейнера немає сили притягання.
  5. Зіткнення частинок газу або зіткнення зі стінками ємності є абсолютно еластичними. Жодна енергія газової частинки не втрачається при зіткненні з іншою частинкою або зі стінками ємності.
  6. Середня кінетична енергія колекції частинок газу залежить від температури газу і нічого іншого.

Припущення, що лежать в основі кінетичної молекулярної теорії, можна проілюструвати за допомогою пристрою, показаного на малюнку нижче, який складається із скляної пластини, оточеної стінками, встановленими поверх трьох вібраційних двигунів. Жменька сталевих кулькових підшипників розміщена поверх скляної пластини для представлення частинок газу.

кінетична

Коли двигуни ввімкнені, скляна пластина вібрує, що змушує кулькові підшипники рухатися постійно, випадково (постулат 1). Кожна кулька рухається по прямій, поки не зіткнеться з іншою кулькою або зі стінками контейнера (постулат 2). Хоча зіткнення часті, середня відстань між кульковими підшипниками набагато більша за діаметр кульок (постулат 3). Між окремими кульковими підшипниками або між кульковими підшипниками та стінками контейнера немає сили притягання (постулат 4).

Зіткнення, що відбуваються в цьому апараті, сильно відрізняються від зіткнень, які виникають при падінні гумової кульки на підлогу. Зіткнення гумової кульки з підлогою є нееластичними, як показано на малюнку нижче. Частина енергії кулі втрачається кожного разу, коли вона потрапляє на підлогу, поки врешті не скотиться до зупинки. У цьому апараті зіткнення абсолютно еластичні. Кулі мають так само багато енергії після зіткнення, як і раніше (постулат 5).

Будь-який об’єкт, що рухається, має a кінетична енергія що визначається як половина добутку його маси, помноженої на його швидкість у квадраті.

У будь-який час деякі кулькові підшипники на цьому апараті рухаються швидше, ніж інші, але система може бути описана середньою кінетичною енергією. Коли ми збільшуємо "температуру" системи, збільшуючи напругу на двигунах, ми виявляємо, що середня кінетична енергія кулькових підшипників збільшується (постулат 6).

Кінетична молекулярна теорія може бути використана для пояснення кожного з експериментально визначених газових законів.

Зв'язок між P та n

Тиск газу виникає внаслідок зіткнення частинок газу зі стінками ємності. Кожного разу, коли частинка газу потрапляє на стінку, вона діє на стінку силою. Збільшення кількості частинок газу в ємності збільшує частоту зіткнень зі стінками і, отже, тиск газу.

Закон Амонтоні (PT)

Останній постулат кінетичної молекулярної теорії стверджує, що середня кінетична енергія газової частинки залежить лише від температури газу. Таким чином, середня кінетична енергія частинок газу зростає, коли газ стає теплішим. Оскільки маса цих частинок постійна, їх кінетична енергія може зростати лише в тому випадку, якщо середня швидкість частинок зростає. Чим швидше ці частинки рухаються, потрапляючи на стіну, тим більшу силу вони діють на стіну. Оскільки сила за зіткнення стає більшою із збільшенням температури, повинен збільшуватися і тиск газу.

Закон Бойля (P = 1/v)

Гази можуть стискатися, оскільки більша частина об’єму газу - це порожній простір. Якщо ми стискаємо газ, не змінюючи його температури, середня кінетична енергія частинок газу залишається незмінною. Швидкість руху частинок не змінюється, але ємність менша. Таким чином, частинки переміщаються з одного кінця контейнера на інший за коротший проміжок часу. Це означає, що вони частіше б’ються об стіни. Будь-яке збільшення частоти зіткнень зі стінками повинно призводити до збільшення тиску газу. Таким чином, тиск газу стає більшим, оскільки об'єм газу стає меншим.