Gaaside kineetiline molekulaarteooria

gaaside kineetiline teooria on teaduslik mudel, mis selgitab gaasi füüsikalist käitumist kui gaasi moodustavate molekulaarsete osakeste liikumist. Selles mudelis liiguvad gaasi moodustavad submikroskoopsed osakesed (aatomid või molekulid) pidevalt juhuslik liikumine, põrkudes pidevalt mitte ainult üksteisega, vaid ka kõigi gaasimahutite külgedega sees. Just see liikumine põhjustab gaasi füüsikalisi omadusi nagu soojus ja surve.

Gaaside kineetilist teooriat nimetatakse ka kineetiline teooriavõi kineetiline mudel, või kineetiline-molekulaarne mudel. Seda saab mitmel viisil rakendada nii vedelike kui ka gaasi jaoks. (Näide Browni liikumine, mida käsitletakse allpool, rakendab vedelike suhtes kineetilist teooriat.)

Kreeka filosoof Lucretius oli atomismi varajase vormi pooldaja, kuigi see oli suures osas mis on mitu sajandit kasutusest kõrvaldatud mitteaatomilisel tööl põhineva gaaside füüsikalise mudeli kasuks kohta Aristoteles. Ilma väikeste osakesteta mateeria teooriata ei arenenud kineetika teooria selles Aristotelese raamistikus.

Daniel Bernoulli looming tutvustas kineetilist teooriat Euroopa publikule oma 1738. aasta väljaandega Hüdrodünaamika. Sel ajal polnud isegi selliseid energia säästmise põhimõtteid kehtestatud ja seetõttu polnud paljud tema lähenemisviisid laialdaselt kasutusele võetud. Järgmisel sajandil hakati kineetilist teooriat teadlaste seas laialdasemalt kasutusele võtma osana kasvavast suundumusest, mille kohaselt teadlased suhtuvad aatomitest koosnevasse ainesse tänapäevast vaadet.

Üks kineetilise teooria eksperimentaalselt kinnitavatest lünkliinidest ja atomism on üldine, oli seotud Browni liikumisega. See on vedelikus suspendeeritud pisikese osakese liikumine, mis näib mikroskoobi all juhuslikult ringi liikuvat. Kiidetud 1905. Albert Einstein selgitas Browniani liikumist juhuslike kokkupõrgete kaudu vedeliku koostanud osakestega. See paber oli Einsteini töö tulemus doktoritöö töö, kus ta lõi difusioonvalemi, rakendades sellele statistilisi meetodeid. Sarnase tulemuse tegi iseseisvalt ka Poola füüsik Marian Smoluchowski, kes avaldas oma töö 1906. aastal. Need kineetilise teooria rakendused aitasid üheskoos toetada ideed, et vedelikud ja gaasid (ja tõenäoliselt ka tahked ained) koosnevad pisikestest osakestest.

Kineetiline teooria hõlmab mitmeid eeldusi, mis keskenduvad võimalusele rääkida ideaalne gaas.

• Molekule käsitletakse punktosakestena. Täpsemalt öeldes on selle üheks põhjuseks see, et nende suurus on osakeste vahelise keskmise kaugusega võrreldes äärmiselt väike.
• Molekulide arv (N) on väga suur, niivõrd kui osakeste individuaalse käitumise jälgimine pole võimalik. Selle asemel rakendatakse kogu süsteemi käitumise analüüsimiseks statistilisi meetodeid.
• Iga molekuli töödeldakse identsena mis tahes teise molekuliga. Need on oma erinevate omaduste poolest omavahel asendatavad. See aitab taas toetada ideed, et üksikuid osakesi ei pea jälgima ning et teooria statistilistest meetoditest piisab järelduste ja ennustuste tegemiseks.
• Molekulid on pidevas, juhuslikus liikumises. Nad kuuletuvad Newtoni liikumisseadused.
• Kokkupõrked osakeste ning gaasi mahuti osakeste ja anumate vahel on ideaalsed elastsed kokkupõrked.
• Gaasimahutite seinu käsitletakse täiesti jäigatena, need ei liigu ja on tohutult massiivsed (võrreldes osakestega).

Nende eelduste tulemus on see, et teil on konteineris gaasi, mis liigub konteineris juhuslikult. Kui gaasi osakesed põrkuvad mahuti küljega, põrkuvad nad mahuti küljelt a täiesti elastne kokkupõrge, mis tähendab, et kui nad löövad 30-kraadise nurga all, põrkavad nad välja 30-kraadise nurga all nurk. Nende kiiruse komponent, mis on risti konteineri küljega, muudab suunda, kuid säilitab sama suurusjärgu.

Gaaside kineetiline teooria on oluline, kuna ülaltoodud eelduste komplekt viib meid tuletama ideaalse gaasi seadust või ideaalse gaasi võrrandit, mis seob rõhku (lk), maht (V) ja temperatuur (T) Boltzmanni konstandi (k) ja molekulide arv (N). Saadud ideaalse gaasi võrrand on järgmine:

pV = NkT