Κινητική Θεωρία Αερίων

Η κινητική θεωρία των αερίων είναι ένα απλό, κλασικό μοντέλο της θερμοδυναμικής συμπεριφοράς των αερίων. Έχει καθιερώσει πολλές θεμελιώδεις θερμοδυναμικές έννοιες και είναι επίσης ιστορικά σημαντικό.

Χρησιμοποιούμε αυτό το θεωρητικό μοντέλο για να μελετήσουμε τη δράση και την αντίδραση των μορίων αερίου και τη θερμοδυναμική συμπεριφορά των αερίων. Το μοντέλο περιγράφει τη σύνθεση του αερίου ως προς τα υπομικροσκοπικά σωματίδια (άτομα ή μόρια). Υποθέτει ότι το μέγεθος των μορίων του αερίου είναι πολύ μικρό σε σύγκριση με την απόσταση μεταξύ τους. Τα μόρια του αερίου βρίσκονται συνεχώς σε τυχαία κίνηση και ως εκ τούτου συγκρούονται είτε μεταξύ τους είτε με τα τοιχώματα του δοχείου. Αυτό δημιουργεί πίεση μεταξύ των μορίων αερίου.

Αυτά τα μόρια αερίου περιέχουν όλες τις τυπικές φυσικές ποσότητες όπως μάζα, ορμή και ενέργεια και ως εκ τούτου διαθέτουν επίσης πυκνότητα, ορμή και πίεση. Η βασική έκδοση του μοντέλου περιγράφει το ιδανικό αέριο και δεν λαμβάνει υπόψη άλλες αλληλεπιδράσεις σωματιδίων. Το μοντέλο λαμβάνει επίσης υπόψη σχετικά φαινόμενα όπως η κίνηση Brown.

Βασικοί σημαντικοί τύποι

Πυκνότητα (ρ):Άθροισμα μάζας μορίων αερίου/ Ο συνολικός όγκος μορίων αερίου

Πίεση (P):Δύναμη/ Περιοχή

Ορισμός

Τον δέκατο ένατο αιώνα, ο Βρετανός επιστήμονας James Clerk Maxwell και ο Αυστριακός φυσικός Ludwig Boltzmann πρωτοστάτησαν στη θεωρία, η οποία έγινε μια από τις πιο σημαντικές έννοιες στη σύγχρονη επιστήμη. Ηκινητική θεωρία των αερίων συνδέει τις μακροσκοπικές ιδιότητες των αερίων όπως η πίεση και η θερμοκρασία με τις μακροσκοπικές ιδιότητες των μορίων αερίου όπως η ταχύτητα και η κινητική ενέργεια.

Κινητική Θεωρία Ιδανικών Αερίων

Τα άτομα σε ένα ιδανικό αέριο δεν ασκούν κανένα είδος δύναμης το ένα στο άλλο, αλλά αντίθετα, συγκρούονται με τα τοιχώματα του δοχείου. Τα πειράματα αποδεικνύουν ότι ο νόμος του ιδανικού αερίου μπορεί επομένως να συσχετίσει την πίεση, τον όγκο, τη θερμοκρασία και τον αριθμό των γραμμομορίων ενός ιδανικού αερίου:

PV =nRT,

Στην οποία το R είναι μια σταθερά γνωστή και ως καθολική σταθερά αερίου.

Είναι σημαντικό να:

1. Βεβαιωθείτε ότι όλες οι ποσότητες ακολουθούν το ίδιο σύστημα μονάδων!
2. Η θερμοκρασία, T, πρέπει να εκφράζεται σε Kelvin.
Το
3. n υποδηλώνει τον αριθμό των mol του αερίου, όπου

n =μάζα δείγματος/Μοριακή μάζα αερίου

Υποθέσεις στην Κινητική Θεωρία των Αερίων

• Σύνθεση :Το αέριο αποτελείται από μεγάλο αριθμό ατόμων και μορίων.
• Σημειακές μάζες :Τα άτομα και τα μόρια έχουν σχεδόν σημειακό μέγεθος με πολύ μικρή μάζα και επομένως μικρό όγκο.
• Μηδενική δύναμη έλξης :Τα σωματίδια αερίου είναι ανεξάρτητα και δεν έχουν δύναμη έλξης ανάμεσά τους.
• Ο όγκος του αερίου :Το αέριο παίρνει το σχήμα του δοχείου, είτε μεγάλο είτε μικρό και, ως εκ τούτου, θεωρείται ότι έχει τον όγκο του δοχείου.
• Κινητική ενέργεια :Δεδομένου ότι τα σωματίδια του αερίου βρίσκονται σε συνεχή τυχαία κίνηση, έχουν κάποια κινητική ενέργεια. Η κινητική ενέργεια βρέθηκε ότι είναι ανάλογη της θερμοκρασίας .
•  Διατήρηση ενέργειας/ορμής:Οι συγκρούσεις που λαμβάνουν χώρα μέσα σε ένα μόριο αερίου είναι εντελώς ελαστικές. δηλαδή δεν υπάρχει απώλεια ενέργειας. Ως εκ τούτου, η ενέργεια και η ορμή παραμένουν πάντα διατηρημένα.
• Η πίεση που ασκείται:Οι συγκρούσεις που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό του μορίου τείνουν επίσης να ασκούν πίεση στα τοιχώματα του δοχείου. Αυτή η πίεση ισούται με δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας.
• Μέση ελεύθερη διαδρομή:Η μέση απόσταση που διανύει ένα σωματίδιο για να συναντήσει ένα άλλο σωματίδιο ονομάζεται μέση ελεύθερη διαδρομή. Μαθηματικά, η μέση ελεύθερη διαδρομή μπορεί να αναπαρασταθεί ως:

                     λ   =    μ /√2πd²P           

Πιστωτικά της Κινητικής Θεωρίας των Αερίων:

Ακολουθούν τα χαρακτηριστικά των θεμάτων της κινητικής θεωρίας των αερίων :

1- Τα μόρια ενός αερίου είναι μικρά και παραμένουν μακριά το ένα από το άλλο. Το μεγαλύτερο μέρος του όγκου ενός αερίου είναι χώρος.

2- Τα μόρια αερίου κινούνται συνεχώς τυχαία. Υπάρχουν τόσα μόρια που κινούνται προς μία κατεύθυνση όσα και προς την άλλη.

3- Τα μόρια μπορούν να συγκρουστούν με τα τοιχώματα του δοχείου και μεταξύ τους. Η πίεση του αερίου καθορίζεται από συγκρούσεις με τα τοιχώματα.

4- Όταν τα μόρια συγκρούονται, δεν χάνουν κινητική ενέργεια. Έτσι, οι συγκρούσεις λέγεται ότι είναι απόλυτα ελαστικές. Αν δεν υπάρχει κάποια εξωτερική παρεμβολή με τα μόρια, η συνολική κινητική ενέργεια παραμένει σταθερή.

5- Εκτός από τη διαδικασία σύγκρουσης, τα μόρια δεν έχουν ελκτικές ή απωστικές δυνάμεις το ένα πάνω στο άλλο. Μεταξύ των συγκρούσεων, κινούνται σε ευθείες γραμμές.

Δεδομένου ότι τα πραγματικά αέρια δεν ακολουθούν τους νόμους των ιδανικών αερίων, έπρεπε να γίνει μια νέα εξίσωση για να διορθωθούν οι αποκλίσεις που έγιναν από τα πραγματικά αέρια που προκλήθηκαν από μοριακές αλληλεπιδράσεις και μόρια. Αυτή η εξίσωση ονομάστηκε εξίσωση Van der Waals.

P =RT/  V-b – a²/ V²     

Όπου P =Πίεση

R =Καθολική σταθερά αερίου

T =Απόλυτη Θερμοκρασία

V =Μοριακός όγκος

b =Σταθερά αερίου b

a =Σταθερά αερίου a

Συμπέρασμα

Η κινητική θεωρία των αερίων εξηγεί τα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά ενός αερίου ως προς την κινητικότητα των μορίων του. Ένα μόριο είναι η μικρότερη μονάδα με τις ίδιες χημικές ιδιότητες με την ουσία και το αέριο θεωρείται ότι αποτελείται από έναν τεράστιο αριθμό παρόμοιων, διακριτών σωματιδίων που ονομάζονται μόρια. Η πίεση ασκείται από τη συνεχή σύγκρουση του αερίου με οποιαδήποτε επιφάνεια. Όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα ενός αερίου, τόσο πιο συχνός είναι ο αριθμός των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων και της επιφάνειας και τόσο μεγαλύτερη είναι η πίεση που ασκείται.

Μεταξύ της δεκαετίας του 1860 και της δεκαετίας του 1880, οι Maxwell, Boltzmann και Clausius δημιούργησαν στοιχεία κινητικής θεωρίας. Υπάρχουν κινητικές θεωρίες για αέρια, στερεά και υγρά. Η κινητική θεωρία των αερίων είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο μηχανισμός διάχυσης συλλαμβάνει τα σωματίδια.