Kinetische theorie van gassen

De kinetische theorie van gassen beweert: het gedrag van deze vloeistoffen in detail uitleggen, door theoretische procedures gebaseerd op een gepostuleerde beschrijving van een gas en enkele aannames. Deze theorie werd voor het eerst voorgesteld door Bernoulli in 1738, en later uitgebreid en verbeterd door Clausius, Maxwell, Boltzmann, van der Waals en Jeans.

Postulaten van de kinetische theorie van gassen

De fundamentele postulaten van deze theorie zijn:

1.- Er wordt van uitgegaan dat: Gassen zijn opgebouwd uit kleine discrete deeltjes genaamd particlesmoleculen gelijke massa en grootte in hetzelfde gas, maar verschillend voor verschillende gassen.

2.- De moleculen van een container zijn in chaotische beweging onophoudelijk, waarbij ze in botsing komen met elkaar of met de wanden van de container waar ze zich bevinden.

3.- De bombardement van de vaatwanden veroorzaakt een druk, dat wil zeggen een kracht per oppervlakte-eenheid, het gemiddelde van de botsingen van de moleculen.

4.- De botsingen van moleculen zijn elastisch

Met andere woorden, zolang de druk van het gas in een container bij geen enkele temperatuur en druk in de tijd verandert, is er geen energieverlies door wrijving.

5.- De Absolute temperatuur is een hoeveelheid die evenredig is met de gemiddelde kinetische energie van alle moleculen in een systeem.

6.- Bij relatief lage drukken, de gemiddelde afstand tussen de moleculen is groot in vergelijking met hun diameters, en daarom worden de aantrekkingskrachten, die afhankelijk zijn van moleculaire scheiding, als verwaarloosbaar beschouwd.

7.- Ten slotte, omdat de moleculen klein zijn in vergelijking met de afstand ertussen, is hun volume wordt als verwaarloosbaar beschouwd in verhouding tot het totaal bedekt.

Door de grootte van de moleculen en hun interactie te negeren, zoals blijkt uit postulaten 6 en 7, is deze theoretische verhandeling beperkt tot ideale gassen.

Een wiskundige analyse van dit gasconcept leidt ons tot fundamentele conclusies die direct door ervaring kunnen worden geverifieerd.

Fysieke verklaring van de kinetische theorie van gassen

Stel dat een kubieke container gevuld is met n' gasmoleculen, allemaal gelijk, en met dezelfde massa en snelheid, respectievelijk m en u. Het is mogelijk om de snelheid u te ontleden in drie componenten langs de x-, y- en z-assen.

Als we deze drie componenten aanwijzen u_X, of_Y, of_z, dan:

of² = u_X² + u_Y² + u_z²

waar jij² is de kwadratische gemiddelde snelheid. Nu associëren we aan elk van deze componenten een enkel molecuul met massa m dat onafhankelijk kan bewegen in een van de corresponderende x, y, z-richtingen.

Het uiteindelijke effect van deze onafhankelijke bewegingen wordt verkregen door de snelheden volgens de vergelijking te combineren.

Stel nu dat het molecuul in de x-richting naar rechts beweegt met de snelheid u_X. Het zal botsen met het vliegtuig en z met het moment mu_X, en aangezien de botsing elastisch is, zal hij stuiteren met een snelheid -u_X en het momentum -mu_X.

Bijgevolg is de variatie van de hoeveelheid beweging, of momentum, per molecuul en botsing in de x-richting mu_X - (-mu_X) = 2mu_X.

Voordat je dezelfde muur weer kunt raken, moet je heen en weer lopen naar de muur voor je. Daarbij legt het een afstand 2l af, waarbij l de randlengte van de kubus is. Hieruit leiden we af dat het aantal botsingen met de rechterwand van het molecuul in één seconde u. zal zijn_X/ 2l, dus de verandering in moment per seconde en molecuul is de moeite waard:

(2mu_X)(of_X/ 2l) = mu_X²/ ik

Dezelfde variatie treedt op voor hetzelfde molecuul in het yz-vlak, zodat de totale verandering in de hoeveelheid beweging per molecuul en seconde in de x-richting, is tweemaal de hoeveelheid aangegeven in de laatste vergelijking. Zo staat het uitgelegd:

Verandering van Moment / seconde / molecuul, in de richting x = 2 (mu_X²/l)

Voorbeelden van gassen bestudeerd door de kinetische theorie

1. waterstof H
2. Helium He
3. Neon Ne
4. Koelmiddel 134a
5. Ammoniak NH₃
6. Kooldioxide CO₂
7. Koolmonoxide CO
8. Lucht
9. Stikstof Nr
10. Zuurstof O