Κινητική θεωρία αερίων

Οι ισχυρισμοί της κινητικής θεωρίας των αερίων εξηγήστε λεπτομερώς τη συμπεριφορά αυτών των υγρών, με θεωρητικές διαδικασίες που βασίζονται σε τεκμηριωμένη περιγραφή ενός αερίου και σε ορισμένες υποθέσεις. Αυτή η θεωρία προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Bernoulli το 1738 και αργότερα επεκτάθηκε και βελτιώθηκε από τους Clausius, Maxwell, Boltzmann, van der Waals και Jeans.

Δικαιολογητικά της κινητικής θεωρίας των αερίων

Τα θεμελιώδη αξιώματα αυτής της θεωρίας είναι:

1.- Θεωρείται ότι Τα αέρια αποτελούνται από μικροσκοπικά διακριτά σωματίδια που ονομάζονταιμόρια ίσης μάζας και μεγέθους στο ίδιο αέριο, αλλά διαφορετικό για διαφορετικά αέρια.

2.- Τα μόρια ενός δοχείου είναι μέσα χαοτική κίνηση αδιάκοπα, κατά τη διάρκεια της οποίας συγκρούονται μεταξύ τους ή με τα τοιχώματα του δοχείου όπου βρίσκονται.

3.- Το ο βομβαρδισμός των τοιχωμάτων των αγγείων προκαλεί πίεση, δηλαδή, μια δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας, μέσος όρος των συγκρούσεων των μορίων.

4.- Το οι συγκρούσεις των μορίων είναι ελαστικέςΜε άλλα λόγια, εφ 'όσον η πίεση του αερίου σε ένα δοχείο δεν μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου σε οποιαδήποτε θερμοκρασία και πίεση, δεν υπάρχει απώλεια ενέργειας λόγω τριβής.

5.- Το Η απόλυτη θερμοκρασία είναι μια ποσότητα ανάλογη με τη Μέση Κινητική Ενέργεια όλων των μορίων ενός συστήματος.

6.- Σε σχετικά χαμηλές πιέσεις, η μέση απόσταση μεταξύ των μορίων είναι μεγάλη σε σύγκριση με τις διαμέτρους τους, και ως εκ τούτου οι ελκυστικές δυνάμεις, οι οποίες εξαρτώνται από τον μοριακό διαχωρισμό, θεωρούνται αμελητέες.

7.- Τέλος, καθώς τα μόρια είναι μικρά σε σύγκριση με την απόσταση μεταξύ τους, αυτά ο όγκος θεωρείται αμελητέος σε σχέση με το σύνολο σκεπαστός.

Αγνοώντας το μέγεθος των μορίων και την αλληλεπίδρασή τους, όπως φαίνεται από τα αξιώματα 6 και 7, αυτή η θεωρητική πραγματεία περιορίζεται σε ιδανικά αέρια.

Μια μαθηματική ανάλυση αυτής της έννοιας αερίου μας οδηγεί σε θεμελιώδη συμπεράσματα που μπορούν να επαληθευτούν άμεσα από την εμπειρία.

Φυσική εξήγηση της κινητικής θεωρίας των αερίων

Ας υποθέσουμε ότι ένα κυβικό δοχείο γεμάτο με μόρια n 'αερίου, όλα ίσα και με την ίδια μάζα και ταχύτητα, m και u αντίστοιχα. Είναι δυνατή η αποσύνθεση της ταχύτητας u σε τρία στοιχεία κατά μήκος των αξόνων x, y και z.

Εάν ορίσουμε αυτά τα τρία συστατικά u_Χ, ή_Γ, ή_ζ, έπειτα:

ή² = εσύ_Χ² + εσύ_Γ² + εσύ_ζ²

που είσαι² είναι η μέση τετραγωνική ταχύτητα ρίζας. Τώρα συνδέουμε σε κάθε ένα από αυτά τα συστατικά ένα μόριο μάζας m ικανό να κινείται ανεξάρτητα σε οποιαδήποτε από τις αντίστοιχες κατευθύνσεις x, y, z.

Το τελικό αποτέλεσμα αυτών των ανεξάρτητων κινήσεων επιτυγχάνεται συνδυάζοντας τις ταχύτητες σύμφωνα με την εξίσωση.

Ας υποθέσουμε τώρα ότι το μόριο κινείται προς την κατεύθυνση x προς τα δεξιά με την ταχύτητα u_Χ. Θα συγκρουστεί με το επίπεδο και z με τη στιγμή mu_Χ, και δεδομένου ότι η σύγκρουση είναι ελαστική, θα αναπηδήσει με ταχύτητα -u_Χ και η ορμή -mu_Χ.

Κατά συνέπεια, η παραλλαγή της ποσότητας κίνησης, ή ορμή, ανά μόριο και σύγκρουση στην κατεύθυνση x είναι mu_Χ - (-μμ_Χ) = 2μ_Χ.

Προτού μπορέσετε να χτυπήσετε ξανά τον ίδιο τοίχο, πρέπει να περπατήσετε μπρος-πίσω με αυτόν που βρίσκεται μπροστά σας. Με αυτόν τον τρόπο, ταξιδεύει σε απόσταση 2l, όπου είναι το μήκος του κύβου. Από αυτό συμπεραίνουμε ότι ο αριθμός των συγκρούσεων με το δεξί τοίχωμα του μορίου σε ένα δευτερόλεπτο θα είναι u_Χ/ 2l, οπότε η αλλαγή στη στιγμή ανά δευτερόλεπτο και το μόριο θα αξίζει:

(2μ_Χ)(ή_Χ/ 2l) = μμ_Χ²/ Λ

Η ίδια παραλλαγή εμφανίζεται για το ίδιο μόριο στο επίπεδο yz έτσι ώστε η συνολική μεταβολή στην ποσότητα κίνησης ανά μόριο και δευτερόλεπτο στην κατεύθυνση x, είναι διπλάσιο από το ποσό που υποδεικνύεται στην τελευταία εξίσωση. Έτσι εξηγείται:

Αλλαγή ροπής / δευτερολέπτου / μορίου, προς την κατεύθυνση x = 2 (mu_Χ²/l)

Παραδείγματα αερίων που μελετήθηκαν από την Κινητική Θεωρία

1. Υδρογόνο Η
2. Ήλιο
3. Νέον Νε
4. Ψυκτικό 134α
5. Ammonia NH₃
6. Διοξείδιο του άνθρακα CO₂
7. Μονοξείδιο του άνθρακα CO
8. Αέρας
9. Άζωτο Ν
10. Οξυγόνο Ο