תורת הגזים המולקולרית הקינטית

ה תיאוריה קינטית של גזים הוא מודל מדעי המסביר את התנהגותו הגופנית של גז כתנועה של החלקיקים המולקולריים המרכיבים את הגז. במודל זה החלקיקים הסמיקרוסקופיים (אטומים או מולקולות) המרכיבים את הגז נעים ללא הרף תנועה אקראית, המתנגשת ללא הרף לא רק אחד עם השני אלא גם עם דפנות כל מיכל שהוא הגז בפנים. התנועה הזו היא שמביאה לתכונות פיזיקליות של הגז כמו חום ו לחץ.

התיאוריה הקינטית של הגזים נקראת גם רק ה- תיאוריה קינטית, או ה דגם קינטי, או ה מודל קינטי-מולקולרי. ניתן ליישם אותו במובנים רבים גם על נוזלים ועל גז. (הדוגמה של תנועה בראונית, הנדון להלן, מיישם את התיאוריה הקינטית על נוזלים.)

הפילוסוף היווני לוקרטיוס היה תומך בצורה מוקדמת של אטומיזם, אם כי זה היה ברובו הושלך במשך כמה מאות שנים לטובת מודל פיזי של גזים שנבנו על היצירה הלא אטומית של אריסטו. ללא תיאוריה של חומר כחלקיקים זעירים, התיאוריה הקינטית לא התפתחה במסגרת אריסטו זו.

עבודתו של דניאל ברנולי הציגה את התיאוריה הקינטית בפני קהל אירופי, עם פרסוםו בשנת 1738 הידרודינמיקה. באותה תקופה אפילו לא נקבעו עקרונות כמו שימור אנרגיה, ולכן הרבה מהגישות שלו לא אומצו באופן נרחב. במהלך המאה הבאה התיאוריה הקינטית אומצה באופן נרחב יותר בקרב מדענים, כחלק ממגמה הולכת וגוברת לעבר מדענים המאמצים את ההשקפה המודרנית של החומר מורכב מאטומים.

אחד הלינצ'פינים באישור ניסוי של התיאוריה הקינטית, והאטומיזם הוא כללי, היה קשור לתנועה בראונית. זוהי תנועה של חלקיק זעיר התלוי בנוזל, שמתחת למיקרוסקופ נראה כאילו הוא מטלטל באקראי. בעיתון שזכה לשבח משנת 1905, אלברט איינשטיין הסביר את התנועה של בראוניאן מבחינת התנגשויות אקראיות עם החלקיקים שהרכיבו את הנוזל. מאמר זה היה תולדה של איינשטיין עבודת דוקטורט עבודה, שם הוא יצר נוסחת דיפוזיה על ידי יישום שיטות סטטיסטיות לבעיה. תוצאה דומה בוצעה באופן עצמאי על ידי הפיזיקאי הפולני מריאן סמולוצובסקי, שפרסם את עבודתו בשנת 1906. יחד, יישומים אלה של התיאוריה הקינטית עברו דרך ארוכה כדי לתמוך ברעיון שנוזלים וגזים (וכנראה גם מוצקים) מורכבים מחלקיקים זעירים.

התיאוריה הקינטית כוללת מספר הנחות המתמקדות ביכולת לדבר על גז אידיאלי.

• מולקולות מטופלות כחלקיקי נקודה. באופן ספציפי, השלכה אחת לכך היא שגודלם קטן ביותר בהשוואה למרחק הממוצע בין החלקיקים.
• מספר המולקולות (נ) הוא גדול מאוד, עד כדי כך שלא ניתן לעקוב אחר התנהגויות של חלקיקים בודדים. במקום זאת, מיושמות שיטות סטטיסטיות לניתוח התנהגות המערכת בכללותה.
• מתייחסים לכל מולקולה זהה לכל מולקולה אחרת. הם ניתנים להחלפה מבחינת המאפיינים השונים שלהם. זה עוזר שוב לתמוך ברעיון שחלקיקים אינדיבידואליים אינם צריכים להיות במעקב, וכי השיטות הסטטיסטיות של התיאוריה מספיקות בכדי להגיע למסקנות ולתחזיות.
• מולקולות בתנועה קבועה ואקראית. הם מצייתים חוקי התנועה של ניוטון.
• התנגשויות בין החלקיקים ובין החלקיקים והקירות של מיכל לגז הם בצורה מושלמת התנגשויות אלסטיות.
• קירות של מיכלי גזים מטופלים כנוקשים לחלוטין, אינם זזים והם מסיביים עד אינסוף (בהשוואה לחלקיקים).

התוצאה של הנחות אלה היא שיש לכם גז בתוך מיכל שמסתובב באקראי בתוך המיכל. כאשר חלקיקי הגז מתנגשים בצד המכולה, הם מקפצים מצדו של המכולה בתוך התנגשות אלסטית מושלמת, מה שאומר שאם הם יכהו בזווית של 30 מעלות הם יתנפצו ב 30 מעלות זווית. מרכיב המהירות שלהם בניצב לצד המכולה משנה כיוון אך שומר על אותה גודל.

התיאוריה הקינטית של גזים היא משמעותית, מכיוון שמערכת ההנחות שלעיל מביאה אותנו לגזור את חוק הגז האידיאלי, או משוואת גז אידיאלי, המתייחסת ללחץ (ע), כרך (V), וטמפרטורה (ט), מבחינת קבוע בולצמן (k) ומספר המולקולות (נ). משוואת הגז האידיאלית המתקבלת היא:

pV = NkT