Teoria cinetica molecolare dei gas

Il teoria cinetica dei gas è un modello scientifico che spiega il comportamento fisico di un gas come il movimento delle particelle molecolari che compongono il gas. In questo modello, le particelle submicroscopiche (atomi o molecole) che compongono il gas si muovono continuamente in moto casuale, costantemente in collisione non solo tra loro ma anche con i lati di qualsiasi contenitore che sia il gas entro. È questo movimento che provoca proprietà fisiche del gas come calore e pressione.

La teoria cinetica dei gas è anche chiamata solo teoria cinetica, o il modello cinetico, o il modello cinetico-molecolare. Può anche essere applicato in molti modi a fluidi e gas. (L'esempio di Moto browniano, discusso di seguito, applica la teoria cinetica ai fluidi.)

Il filosofo greco Lucrezio era un sostenitore di una prima forma di atomismo, sebbene ciò fosse ampiamente scartato per diversi secoli a favore di un modello fisico di gas costruito sul lavoro non atomico di Aristotele

Il lavoro di Daniel Bernoulli ha presentato la teoria cinetica ad un pubblico europeo, con la sua pubblicazione del 1738 di Hydrodynamica. All'epoca, persino principi come la conservazione dell'energia non erano stati stabiliti, e quindi molti dei suoi approcci non erano ampiamente adottati. Nel corso del secolo successivo, la teoria cinetica divenne più ampiamente adottata dagli scienziati, come parte di una tendenza crescente verso gli scienziati che adottano la visione moderna della materia come composta di atomi.

Una delle lince nel confermare sperimentalmente la teoria cinetica, e l'atomismo è generale, era collegata al moto browniano. Questo è il movimento di una minuscola particella sospesa in un liquido, che al microscopio sembra sussultare casualmente. In un acclamato articolo del 1905, Albert Einstein ha spiegato il moto browniano in termini di collisioni casuali con le particelle che componevano il liquido. Questo documento è stato il risultato di Einstein tesi di dottorato lavoro, dove ha creato una formula di diffusione applicando metodi statistici al problema. Un risultato simile fu eseguito indipendentemente dal fisico polacco Marian Smoluchowski, che pubblicò il suo lavoro nel 1906. Insieme, queste applicazioni della teoria cinetica hanno contribuito notevolmente a sostenere l'idea che liquidi e gas (e, probabilmente, anche solidi) siano composti da minuscole particelle.

La teoria cinetica implica una serie di ipotesi che si concentrano sulla capacità di parlare di un gas ideale.

• Le molecole sono trattate come particelle puntiformi. In particolare, un'implicazione di ciò è che le loro dimensioni sono estremamente ridotte rispetto alla distanza media tra le particelle.
• Il numero di molecole (N) è molto grande, nella misura in cui non è possibile tenere traccia dei singoli comportamenti delle particelle. Invece, vengono applicati metodi statistici per analizzare il comportamento del sistema nel suo insieme.
• Ogni molecola viene trattata come identica a qualsiasi altra molecola. Sono intercambiabili in termini di varie proprietà. Questo di nuovo aiuta a sostenere l'idea che le singole particelle non debbano essere tenute sotto controllo e che i metodi statistici della teoria siano sufficienti per arrivare a conclusioni e previsioni.
• Le molecole sono in costante movimento casuale. Obbediscono Le leggi del moto di Newton.
• Le collisioni tra le particelle, e tra le particelle e le pareti di un contenitore per il gas, sono perfettamente collisioni elastiche.
• Le pareti dei contenitori di gas sono trattate come perfettamente rigide, non si muovono e sono infinitamente massicce (rispetto alle particelle).

Il risultato di queste ipotesi è che hai un gas all'interno di un contenitore che si sposta casualmente all'interno del contenitore. Quando le particelle del gas si scontrano con il lato del contenitore, rimbalzano sul lato del contenitore in a collisione perfettamente elastica, il che significa che se colpiscono con un angolo di 30 gradi, rimbalzano a 30 gradi angolo. Il componente della loro velocità perpendicolare al lato del contenitore cambia direzione ma mantiene la stessa grandezza.

La teoria cinetica dei gas è significativa, in quanto l'insieme di ipotesi sopra ci porta a derivare la legge del gas ideale, o equazione del gas ideale, che mette in relazione la pressione (p), volume (V) e temperatura (T), in termini della costante di Boltzmann (K) e il numero di molecole (N). L'equazione del gas ideale risultante è:

pV = NkT