Κινητική Θεωρία Αερίων

Εισαγωγή

Τα αέρια μπορούν να συγκεντρωθούν όταν λαμβάνεται υπόψη η περιορισμένης κλίμακας δραστηριότητα μεμονωμένων σωματιδίων ή η μαζική δραστηριότητα του αερίου συνολικά. Μπορούμε να είμαστε απλοί και να ποσοτικοποιήσουμε, ή να αντιληφθούμε, το τεράστιο εύρος δραστηριότητας του αερίου. Ωστόσο, για να επικεντρωθούμε στην κίνηση των ατόμων, θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα υποθετικό μοντέλο. Το μοντέλο, που ονομάζεται κινητική θεωρία των αερίων, αναμένει ότι τα σωματίδια είναι μικροσκοπικά σε σύγκριση με την απόσταση μεταξύ των ατόμων. Τα σωματίδια βρίσκονται σε σταθερή, αυθαίρετη κίνηση και συχνά συγκρούονται μεταξύ τους και με τα διαχωριστικά οποιουδήποτε συγκρατητή.

Τα μοναδικά σωματίδια έχουν τις πραγματικές τυπικές ιδιότητες μάζας, δύναμης και ενέργειας. Το πάχος του αερίου είναι ουσιαστικά η ποσότητα της ομάδας των ατόμων που διαιρείται από τον όγκο, τον οποίο περιλαμβάνει το αέριο. Η τάση ενός αερίου είναι ένα ποσοστό της άμεσης δύναμης των ατόμων. Καθώς τα άτομα αερίου συντρίβονται στα διαχωριστικά ενός διαμερίσματος, τα σωματίδια δίνουν ενέργεια στα τμήματα, δημιουργώντας μια ισχύ που μπορεί να εκτιμηθεί. Η ικανότητα που χωρίζει ο χώρος χαρακτηρίζεται ως η καταπόνηση. Η θερμοκρασία ενός αερίου είναι μια αναλογία της μέσης δυναμικής ενέργειας του αερίου. Τα άτομα βρίσκονται σε σταθερή αυθαίρετη κίνηση και υπάρχει μια ενέργεια (μάζα x τετράγωνο της ταχύτητας) που σχετίζεται με αυτή την κίνηση. Περισσότερη θερμοκρασία ισοδυναμεί με την πιο εμφανή κίνηση.

Σε ένα στερεό, το εμβαδόν των σωματιδίων σε σύγκριση με άλλα υπόλοιπα μέρη είναι πρακτικά συνεπές. Ωστόσο, σε ένα αέριο, τα άτομα μπορούν να κινηθούν και να συνδεθούν με τα περιβαλλοντικά στοιχεία τους με διάφορους τρόπους. Αυτό είναι σταθερά ένα αυθαίρετο μέρος μιας ατομικής κίνησης, όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Ολόκληρο το υγρό μπορεί επίσης να αναγκαστεί να κινείται με διατεταγμένη κίνηση (ρεύμα). Το οργανωμένο σήμα υπερτίθεται ή προστίθεται στην τυπική ακανόνιστη κίνηση των σωματιδίων. Δεν υπάρχει διαφοροποίηση μεταξύ των τραχιών και των διατεταγμένων μερών σε ατομικό επίπεδο. Μετράμε την τάση που παρέχεται από το σπάνιο τμήμα ως στατική καταπόνηση. Η πίεση που παρέχεται από την οργανωμένη κίνηση ονομάζεται δυναμική καταπόνηση.

Τι είναι η Κινητική Θεωρία των Αερίων;

Τον δέκατο ένατο αιώνα, ερευνητές όπως ο James Clark Maxwell, ο Rudolph και ο Clausius ενθάρρυναν την υπόθεση των αερίων για να αποσαφηνίσουν την κίνησή τους. Η θεωρία εξηγεί το αέριο ως μια συλλογή από μικροσκοπικούς, σκληρούς κύκλους που συνδέονται μεταξύ τους και με το εξωτερικό στρώμα του διαχωριστή. Οι διαδικασίες απευθύνονται στα σωματίδια αερίου και ενεργούν όπως υποδεικνύεται από τους νόμους κίνησης που δημιούργησε ο Νεύτωνας τον δέκατο έβδομο αιώνα. Απεικονίζει πώς τα σωματίδια επηρεάζουν τις αέριες ιδιότητες όπως η θερμοκρασία και η τάση. Διευκρινίζει επίσης γιατί τα αέρια ακολουθούν το νόμο του Boyle.

Ανακαλύψαμε ότι η τάση/πίεση (P), ο όγκος (V) και η θερμοκρασία (T) των αερίων σε χαμηλή θερμοκρασία ακολουθούν την συνθήκη:

PV=nRT

Όπου n δίνεται ως ο αριθμός γραμμομορίων στο αέριο και R =Καθολική σταθερά αερίου με τιμή 8.314JK-1 mol-1

Επί του παρόντος, κάθε αέριο που ακολουθεί αυτή την κατάσταση ονομάζεται βέλτιστο αέριο. Έτσι, η συνθήκη είναι γνωστή ως η ιδανική συνθήκη αερίου.

Υποψίες Κινητικής Θεωρίας Αερίων

Ακολουθούν οι ενεργές υποψίες της Κινητικής θεωρίας των αερίων:

• Όλα τα αέρια αποτελούνται από σωματίδια που κινούνται συνεχώς και αποφασιστικά με περίεργους τρόπους.
• Το χώρισμα μεταξύ των ατόμων είναι πολύ πιο εμφανές από το μέγεθος των σωματιδίων.
• Ο διαχωριστής θεωρείται ως μικροσκοπικός κατά την περίοδο μεταξύ δύο σωματιδίων και ενός ατόμου.
• Όλες οι επιπτώσεις μεταξύ ατόμων, σωματιδίων και διαιρετών θεωρούνται ευέλικτες.
• Αν υποτεθεί ότι μια δοκιμή αερίου αφεθεί για ένα επαρκές χρονικό πλαίσιο, μακροπρόθεσμα, μεταβαίνει σε σταθερή κατάσταση. Αυτό συμβαίνει επειδή το πάχος των σωματιδίων και η ιδιοποίηση των ατόμων είναι χωρίς θέση, απόσταση και χρόνο.

Υπόθεση της κινητικής θεωρίας των αερίων

Ακολουθούν η κινητική υπόθεση της κινητικής θεωρίας των αερίων:

• Η αναλογία χώρου-όγκου προς σωματίδιο είναι ασήμαντη.
• Δεν υπάρχει δύναμη γοητείας μεταξύ των σωματιδίων σε τυπική θερμοκρασία και καταπόνηση—η δύναμη του πάθους μεταξύ των σωματιδίων δημιουργείται όταν η θερμοκρασία μειώνεται και η τάση αυξάνεται.
•  Υπάρχει ένας τεράστιος χώρος μεταξύ των ατόμων που επιφέρει συνεχή κίνηση.
•  Η ελεύθερη ανάπτυξη σωματιδίων προκαλεί μια εντελώς ευέλικτη συντριβή.
•  Τα σωματίδια έχουν δυναμική ενέργεια λόγω ανομοιόμορφης ανάπτυξης. Σε κάθε περίπτωση, η μέση ενέργεια κινητήρα αυτών των ατόμων ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία.

Ποια είναι τα τρία θεμελιώδη μέρη της υπόθεσης της κινητικής θεωρίας των αερίων;

Ακολουθούν τα τρία θεμελιώδη μέρη της υπόθεσης της κινητικής θεωρίας των αερίων.

• Όταν τα άτομα συγκρούονται μεταξύ τους, δεν αποκτάται ούτε χάνεται ενέργεια.
• Ο χώρος που εμπλέκεται από τα ίχνη αερίου σε μια θήκη είναι εντελώς ασήμαντος.
•  Αυτά τα άτομα έχουν συνεχώς ευθεία κίνηση.

Περιγράψτε την κινητική ενέργεια ενός σωματιδίου;

Στο σημείο που η ταχύτητα ενός αντικειμένου κινείται προς αυτή του φωτός (3 × 108 μέτρα ανά δευτερόλεπτο ή 186.000 μίλια ανά δευτερόλεπτο), θα πρέπει να χρησιμοποιούνται οι αυξήσεις μάζας του και οι νόμοι της σχετικότητας. Η σχετικιστική ενεργή ενέργεια είναι ισοδύναμη με την αύξηση της μάζας ενός μορίου πάνω από το οποίο έχει αυξηθεί κατά το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός.

Όσο μεγαλύτερη είναι η κινητική ενέργεια ενός σωματιδίου, τόσο ταχύτερη είναι η δόνηση και τόσο πιο γρήγορη η κίνηση των σωματιδίων. Τα στερεά έχουν τη λιγότερο δονούμενη ενέργεια καθώς είναι γεμάτα και δονούνται στημένη. Τα υγρά έχουν σχετικά υψηλότερη ενεργή ισχύ, έτσι ώστε τα σωματίδια να γλιστρούν το ένα δίπλα στο άλλο. Τα αέρια έχουν την υψηλότερη ενέργεια κινητήρα. Στη συνέχεια, επιπλέουν ολόγυρα, αισθητά.

Μέση ελεύθερη διαδρομή 

Η μέση ελεύθερη διαδρομή των ατόμων αερίου είναι η μέση απόσταση που διανύει ένα άτομο μεταξύ δύο προοδευτικών κρούσεων.

Άρθρωση για μια μέση ελεύθερη διαδρομή

Θεωρήστε ένα αέριο σε ένα διαμέρισμα με n σωματίδια ανά μονάδα όγκου. Αφήστε ήσυχη την απόσταση κατά μήκος του σωματιδίου (Α), που πιστεύεται ότι είναι σε κίνηση, ενώ άλλα παραμένουν ακίνητα. Τα άτομα Α προσκρούουν σε διαφορετικά άτομα όπως το Β και το C, των οποίων οι εστίες βρίσκονται σε απόσταση d από το εστιακό σημείο του σωματιδίου.

Εάν το σωματίδιο κινηθεί μια απόσταση L με ταχύτητα v σε χρόνο t, τότε, σε εκείνο το σημείο, αυτό το άτομο συγκρούεται με όλα τα σωματίδια που βρίσκονται μέσα σε έναν θάλαμο όγκου π𝑑²𝐿

Αριθμός κρούσεων που υποβλήθηκαν =Αριθμός σωματιδίων στο θάλαμο =Αριθμός ατόμων ανά μονάδα όγκου X Όγκος θαλάμου

=𝑛 × 𝜋𝑑²𝐿

=𝜋𝑛𝑑²𝐿

Επί του παρόντος, η μέση ελεύθερη διαδρομή του σωματιδίου δίνεται από το λ,

λ =1 / πnd²L