Кинетическая молекулярная теория газов

Кинетическая молекулярная теория газов объясняет три макроскопические характеристики газа с точки зрения микроскопической природы атомов и молекул газа. Размер, форма, масса и объем твердых и жидких тел обычно используются для характеристики их физических свойств. С другой стороны, газы не имеют определенной формы или размера, а их масса и объем не измеряются напрямую. Физические свойства каждого газа можно охарактеризовать с точки зрения трех измеримых макроскопических свойств с использованием кинетической теории газов.

Кинетическая молекулярная теория газов

The kinetic theory of gases is a theoretical model that describes the molecular composition of a gas in terms of a large number of submicroscopic particles like atoms and molecules. The theory also states that gas pressure is caused by particles hitting each other and the container’s walls. Temperature, volume, and pressure are all defined by the kinetic theory of gases, also transport qualities like viscosity and thermal conductivity, as well as mass diffusivity. It essentially explains all of the aspects of the microscopic phenomenon. 

Теория важна, потому что она помогает установить взаимосвязь между макроскопическими характеристиками и микроскопическими явлениями. Кинетическая теория газов помогает понять молекулярное действие. Как правило, молекулы газа всегда находятся в движении и имеют тенденцию сталкиваться друг с другом и со стенками контейнера. Поскольку ее предположения основаны на микроскопических частицах, обнаруженных в газах, кинетическая молекулярная теория иногда известна как микроскопическая модель. Бернулли предложил эту идею, которая позже была исследована и расширена Клаузиусом, Максвеллом, Больцманом и другими.

Постулаты кинетической молекулярной теории газов

Основные постулаты кинетической молекулярной теории газов таковы:

• Кинетическая теория газовых постулатов полезна для вывода макроскопических свойств из микроскопических свойств.
• Газы состоят из множества мелких частиц (атомов и молекул). По сравнению с расстоянием между частицами эти частицы чрезвычайно малы. Отдельные частицы считаются незначительными, а большую часть объема, занимаемого газом, составляет пустое пространство.
• Эти молекулы находятся в постоянном состоянии случайного движения, заставляя их сталкиваться друг с другом и со стенками контейнера. Когда молекулы газа сталкиваются со стенками сосуда, они придают стенкам некоторый импульс. По существу, это приводит к генерации измеримой силы. Итак, если мы разделим эту силу на площадь, давление будет определено.
• Столкновения молекул со стенками полностью упругие. Это означает, что молекулы не теряют кинетическую энергию при столкновении. Молекулы не замедляются и продолжают двигаться с той же скоростью. Однако во время столкновений может происходить перераспределение энергии.
• Средняя кинетика частиц газа прямо пропорциональна абсолютной температуре. В результате с повышением температуры средняя кинетическая энергия частиц газа уменьшается. Другими словами, чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия газа.
• Молекулы разделены значительным пространством. Пустое пространство между молекулами настолько велико, что фактический объем молекул по сравнению с общим объемом газа ничтожен.
• При обычной температуре и давлении между молекулами нет сил взаимодействия (притяжения или отталкивания). Они движутся в полной изоляции друг от друга.
• Газ оказывает давление за счет столкновения его молекул со стенками сосуда на единицу площади.

Газовые законы для идеальных газов

• Давление α Количество частиц при постоянном объеме: Давление создается, когда частицы сталкиваются со стенками контейнера. Чем больше частиц газа, тем больше частиц сталкивается со стенками сосуда. Чем больше количество (или количество частиц) газа при постоянной температуре и объеме, тем выше давление.
• Закон Авогадро – при постоянном давлении: N α V. Количество столкновений и давление возрастают по мере увеличения количества частиц. Если давление остается постоянным, единственный способ уменьшить количество столкновений — увеличить объем. Объем пропорционален количеству газа при постоянном давлении.
• Закон Бойля (давление при постоянной температуре): кинетическая энергия частиц остается постоянной при постоянной температуре. Количество частиц на единицу объема или площади увеличивается, когда объем уменьшается при постоянной температуре. Частота столкновений на единицу площади увеличивается по мере увеличения числа частиц на единице площади. При постоянной температуре чем выше давление, тем меньше объем контейнера.
• Закон Амонтона: при постоянном объеме: P α T. Кинетическая энергия частицы возрастает с повышением температуры. Когда объем остается постоянным, частицы перемещаются быстро, увеличивая частоту столкновений в единицу времени со стенками сосуда и, как следствие, давление. Чем выше температура, тем выше давление газа при постоянном объеме.
• Закон Шарля – при постоянном давлении: V α T. Изменение температуры пропорционально изменению давления. Если давление также должно поддерживаться постоянным, количество столкновений должно быть отрегулировано соответствующим образом. Столкновения можно модифицировать только путем изменения площади или объема при постоянном давлении и постоянном количестве вещества. Объем изменяется пропорционально температуре при постоянном давлении.
• Закон Грэма о диффузии: Закон Грэма гласит, что скорость диффузии газа обратно пропорциональна квадрату его молекулярной массы. При одинаковой температуре два газа с молекулярными массами М ₁ и М ₂ будут иметь одинаковую кинетическую энергию. Затем,

Молекулярные массы обратно пропорциональны скорости молекул.

• Закон Дальтона: Давление молекул газа на стенки сосуда. Молекулы одного газа ведут себя независимо от молекул других газов в смеси из-за отсутствия сил притяжения. В результате ни одна молекула не подвергается влиянию других при столкновении со стенками сосуда. Как будто молекул одного газа не существует, молекулы другого газа вносят свой вклад в общее давление. В результате полное давление смеси газов равно сумме их парциальных давлений. Это известно как закон Дальтона.

Неидеальное поведение газа

Только при определенных условиях низких давлений и высоких температур все молекулы газа подчиняются законам идеального газа. Отклонения поведения реальных газов от поведения идеального газа можно проследить до неправильных или неверных предположений постулатов.

Эти законы,

1. Поскольку частицы представляют собой точечные заряды без объема, сжатие газов до нулевого объема должно быть возможным. Однако тот факт, что газы нельзя сжать до нулевого объема, означает, что частицы, несмотря на их малые размеры, имеют объем и не должны упускаться из виду.
2. Частицы автономны и не взаимодействуют друг с другом: частицы взаимодействуют друг с другом в зависимости от своей природы. Давление газа зависит от взаимодействия. Объем и взаимодействия различаются от одного газа к другому. Для реальных газов разработан ряд газовых законов, включающих поправочные коэффициенты для давления и объема.
3. Столкновения между частицами упругие, и происходит обмен энергией. В результате частицы не имеют одинаковой энергии и имеют энергетическое распределение.

Максвелл – Больцмановское молекулярное распределение молекулярных скоростей

A gas is made up of thousands of small particles separated by enormous empty gaps. These particles move in all directions at all times. They collide with each other as well as the container’s walls during their motion. The speed and direction of the molecules change as a result of collisions. 

Таким образом, не все молекулы в конкретном образце газа имеют одинаковую скорость. Индивидуальные молекулярные скорости различаются и распространяются в широком диапазоне. Даже если все частицы стартовали с одинаковой скоростью, столкновения молекул заставят их разойтись. Скорости некоторых молекул также постоянно изменяются. Однако при данной температуре распределение скоростей между различными молекулами остается постоянным, даже если скорости отдельных молекул флуктуируют.

В результате доля молекул, движущихся с определенной скоростью, остается постоянной. Поскольку Максвелл и Больцман были первыми, кто сформулировал его, это известно как распределение скоростей, а также как закон распределения Максвелла-Больцмана. Кинетическая теория газов предсказывает, что частицы постоянно находятся в движении и что их кинетическая энергия пропорциональна температуре газа. Максвелл-Больцман использовал эту теорию для определения распределения газообразных частиц между нулевой и бесконечной энергией, а также наиболее распространенной, средней и среднеквадратичной скорости частиц.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Что является основным основанием кинетической теории?

Отвечать:

The kinetic theory of gases explains how gases behave by assuming that they are made up of quickly moving atoms or molecules.

Вопрос 2: Дайте определение кинетическому уравнению газа.

Отвечать:

An equation for the pressure of the gas was derived using the postulates of kinetic molecular theory. The kinetic gas equation is the name for this equation. It’s written as,

where m is the molecule’s mass, N is the volume’s number of molecules, and u is the velocity.

Вопрос 3: Почему овощи труднее готовить на горных станциях?

Отвечать:

Since the atmospheric pressure is lower in hill stations, so the boiling point is also lower and it becomes harder to cook in hill stations.

Вопрос 4: Каковы три основных момента кинетической модели?

Отвечать:

The most basic kinetic model is based on the following assumptions.

• The gas is made up of a large number of identical molecules moving in random directions, separated by large distances compared to their size.
• The molecules collide completely elastically (with no energy loss) with each other and with the container walls, but otherwise do not interact.
• Kinetic energy is transferred between molecules through heat.

Вопрос 5: Объясните, почему -273 ⁰ C является самой низкой температурой согласно закону Шарля.

Отвечать:

Under constant pressure, volume changes proportionally to temperature, according to Charle’s law. At -273⁰C, the volume of the gas equals zero, indicating that the gas no longer exists. As a result, the lowest temperature is -273 ⁰C.