Teoria moleculară cinetică
Teoria moleculară cinetică
Observațiile experimentale despre comportamentul gazelor discutate până acum pot fi explicate cu un model teoretic simplu cunoscut sub numele de teoria moleculară cinetică. Această teorie se bazează pe următoarele postulate sau presupuneri.
- Gazele sunt compuse dintr-un număr mare de particule care se comportă ca niște obiecte sferice dure într-o stare de mișcare constantă, aleatorie.
- Aceste particule se mișcă în linie dreaptă până când se ciocnesc cu o altă particulă sau cu pereții containerului.
- Aceste particule sunt mult mai mici decât distanța dintre particule. Prin urmare, cea mai mare parte a volumului unui gaz este spațiu gol.
- Nu există nici o forță de atracție între particulele de gaz sau între particule și pereții containerului.
- Coliziunile dintre particulele de gaz sau coliziunile cu pereții containerului sunt perfect elastice. Nimic din energia unei particule de gaz nu se pierde atunci când se ciocnește cu o altă particulă sau cu pereții containerului.
- Energia cinetică medie a unei colecții de particule de gaz depinde de temperatura gazului și de nimic altceva.
Ipotezele din spatele teoriei moleculare cinetice pot fi ilustrate cu aparatul prezentat în figura de mai jos, care constă dintr-o placă de sticlă înconjurată de pereți montați deasupra a trei motoare vibrante. O mână de rulmenți cu bile de oțel sunt așezați deasupra plăcii de sticlă pentru a reprezenta particulele de gaz.
 |
Când motoarele sunt pornite, placa de sticlă vibrează, ceea ce face ca rulmenții cu bile să se miște în mod constant, aleatoriu (postulatul 1). Fiecare bilă se mișcă în linie dreaptă până se ciocnește cu o altă bilă sau cu pereții containerului (postulatul 2). Deși ciocnirile sunt frecvente, distanța medie între rulmenții cu bile este mult mai mare decât diametrul bilelor (postulatul 3). Nu există o forță de atracție între rulmenții cu bile sau între rulmenții cu bile și pereții containerului (postulatul 4).
Coliziunile care apar în acest aparat sunt foarte diferite de cele care apar atunci când o minge de cauciuc este aruncată pe podea. Coliziunile dintre bila de cauciuc și podea sunt inelastice, așa cum se arată în figura de mai jos. O porțiune din energia mingii se pierde de fiecare dată când lovește podeaua, până când se rostogolește în cele din urmă. În acest aparat, coliziunile sunt perfect elastice. Bilele au la fel de multă energie după o coliziune ca înainte (postulatul 5).
Orice obiect în mișcare are o energie kinetică care este definit ca jumătate din produsul din masa sa de ori viteza pătrată.
În orice moment, unii dintre rulmenții cu bile de pe acest aparat se mișcă mai repede decât alții, dar sistemul poate fi descris printr-o energie cinetică medie. Când creștem „temperatura” sistemului prin creșterea tensiunii la motoare, constatăm că energia cinetică medie a rulmenților cu bile crește (postulatul 6).
Teoria moleculară cinetică poate fi utilizată pentru a explica fiecare dintre legile determinate experimental ale gazelor.
Legătura dintre P și n
Presiunea unui gaz rezultă din coliziunile dintre particulele de gaz și pereții containerului. De fiecare dată când o particulă de gaz lovește peretele, aceasta exercită o forță asupra peretelui. O creștere a numărului de particule de gaz din recipient mărește frecvența coliziunilor cu pereții și, prin urmare, presiunea gazului.
Legea amontonilor (PT)
Ultimul postulat al teoriei moleculare cinetice afirmă că energia cinetică medie a unei particule de gaz depinde doar de temperatura gazului. Astfel, energia cinetică medie a particulelor de gaz crește pe măsură ce gazul devine mai cald. Deoarece masa acestor particule este constantă, energia lor cinetică poate crește numai dacă viteza medie a particulelor crește. Cu cât aceste particule se mișcă mai repede când lovesc peretele, cu atât este mai mare forța pe care o exercită asupra peretelui. Pe măsură ce forța pe coliziune devine mai mare pe măsură ce temperatura crește, presiunea gazului trebuie să crească și ea.
Legea lui Boyle (P = 1/v)
Gazele pot fi comprimate deoarece majoritatea volumului unui gaz este spațiu gol. Dacă comprimăm un gaz fără a-i modifica temperatura, energia cinetică medie a particulelor de gaz rămâne aceeași. Nu există nicio modificare a vitezei cu care se mișcă particulele, dar containerul este mai mic. Astfel, particulele se deplasează de la un capăt la altul al containerului într-o perioadă mai scurtă de timp. Aceasta înseamnă că lovesc pereții mai des. Orice creștere a frecvenței coliziunilor cu pereții trebuie să ducă la o creștere a presiunii gazului. Astfel, presiunea unui gaz devine mai mare pe măsură ce volumul gazului devine mai mic.