תיאוריה קינטית של גזים

התיאוריה הקינטית של גזים טוענת להסביר בפירוט את התנהגותם של נוזלים אלה, על ידי פרוצדורות תיאורטיות המבוססות על תיאור מתוכנן של גז וכמה הנחות יסוד. תיאוריה זו הוצעה לראשונה על ידי ברנולי בשנת 1738, ובהמשך הורחבה ושופרה על ידי קלאוזיוס, מקסוול, בולצמן, ואן דר וואלס וג'ינס.

פוסטולטים של התיאוריה הקינטית של גזים

ההנחות היסודיות של תיאוריה זו הן:

1.- זה נחשב כך גזים מורכבים מחלקיקים נפרדים זעירים הנקראיםמולקולות במסה ובגודל שווים באותו גז, אך שונה בגזים שונים.

2.- המולקולות של מיכל נמצאות בתוך תנועה כאוטית ללא הרף, במהלכם הם מתנגשים זה בזה או בקירות המכולה בה הם נמצאים.

3.- ה הפצצת דפנות כלי השיט גורמת ללחץכלומר כוח ליחידת שטח, ממוצע של התנגשויות המולקולות.

4.- ה התנגשויות של מולקולות הן אלסטיותבמילים אחרות, כל עוד לחץ הגז במיכל אינו משתנה לאורך זמן בשום טמפרטורה ולחץ, אין אובדן אנרגיה עקב חיכוך.

5.- ה טמפרטורה מוחלטת היא כמות הפרופורציונית לאנרגיה הקינטית הממוצעת מכל המולקולות במערכת.

6.- בלחצים נמוכים יחסית, המרחק הממוצע בין המולקולות גדול בהשוואה לקוטר שלהןומכאן שכוחות המשיכה, התלויים בהפרדה מולקולרית, נחשבים זניחים.

7.- לבסוף, מכיוון שהמולקולות קטנות בהשוואה למרחק ביניהן, שלהן נפח נחשב לזניח ביחס לסך הכל סמוי.

על ידי התעלמות מגודל המולקולות ומהאינטראקציה שלהן, כפי שמוצג בתובנות 6 ו -7, מסה תיאורטית זו מוגבלת לגזים אידיאליים.

ניתוח מתמטי של מושג הגז הזה מוביל אותנו למסקנות בסיסיות הניתנות לאימות ישיר על ידי ניסיון.

הסבר פיזי לתאוריה הקינטית של גזים

נניח מיכל מעוקב מלא במולקולות n 'של גז, כולן שוות, ובאותה מסה ומהירות, m ו- u בהתאמה. אפשר לפרק את המהירות u לשלושה מרכיבים לאורך צירי x, y ו- z.

אם נקבע את שלושת המרכיבים הללו u_איקס, או_י, או_z, לאחר מכן:

אוֹ² = u_איקס² + u_י² + u_z²

איפה אתה² הוא המהירות הממוצעת של השורש. כעת אנו מקשרים לכל אחד מהמרכיבים מולקולה אחת של מסה m המסוגלת לנוע באופן עצמאי בכל אחד מכיווני x, y, z המתאימים.

ההשפעה הסופית של תנועות עצמאיות אלה מתקבלת על ידי שילוב המהירויות על פי המשוואה.

עכשיו נניח שהמולקולה נעה בכיוון x ימינה עם המהירות u_איקס. זה יתנגש במטוס ו- z עם הרגע מו_איקסומכיוון שההתנגשות אלסטית, היא תקפץ במהירות -u_איקס והמומנטום -מו_איקס.

כתוצאה מכך, הווריאציה של כמות התנועה, או המומנטום, לכל מולקולה והתנגשות בכיוון x היא mu_איקס - (מו_איקס) = 2 מו_איקס.

לפני שתוכל לפגוע שוב באותו קיר, עליך ללכת הלוך ושוב לזה שלפניך. בכך הוא עובר מרחק 2l, כאשר l הוא אורך הקצה של הקוביה. מכאן אנו מסיקים כי מספר ההתנגשויות בקיר הימני של המולקולה בשנייה אחת יהיה u_איקס/ 2l, כך שהשינוי ברגע לשנייה ובמולקולה יהיה שווה:

(2 מו_איקס)(אוֹ_איקס/ 2l) = mu_איקס²/ l

אותה וריאציה מתרחשת עבור אותה מולקולה במישור yz כך שהשינוי הכולל בכמות תנועה לכל מולקולה ושנייה בכיוון x, הוא כפול מהכמות המצוינת באחרונה משוואה. אז מוסבר:

שינוי רגע / שנייה / מולקולה, בכיוון x = 2 (mu_איקס²/l)

דוגמאות לגזים שנחקרו על ידי התיאוריה הקינטית

1. מימן H
2. הליום הוא
3. ניאון ני
4. קירור 134a
5. אמוניה NH₃
6. פחמן דו חמצני CO₂
7. פחמן חד חמצני CO
8. אוויר
9. חנקן N
10. חמצן O