Teoria cinetica molecolare dei gas

La 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 movimento casuale, scontrandosi costantemente non solo tra loro ma anche con i lati di qualsiasi contenitore in cui si trova il gas. 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 del moto browniano, discusso di seguito, applica la teoria cinetica ai fluidi.)

Storia della teoria cinetica

Il filosofo greco Lucrezio era un sostenitore di una prima forma di atomismo, sebbene questa fosse ampiamente scartata per diversi secoli a favore di un modello fisico di gas costruito sull'opera non atomica di Aristotele. Senza una teoria della materia come minuscole particelle, la teoria cinetica non si è sviluppata all'interno di questa struttura aristotelica.

Il lavoro di Daniel Bernoulli ha presentato la teoria cinetica a 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 spiegò il moto browniano in termini di collisioni casuali con le particelle che componevano il liquido. Questo articolo è stato il risultato del lavoro di tesi di dottorato di Einstein, in cui 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 fecero molto per sostenere l'idea che liquidi e gas (e, probabilmente, anche solidi) sono composti da minuscole particelle.

Ipotesi della teoria molecolare cinetica

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 alle leggi del moto di Newton.
• Le collisioni tra le particelle, e tra le particelle e le pareti di un contenitore per il gas, sono collisioni perfettamente 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 di gas si scontrano con il lato del contenitore, rimbalzano dal lato del contenitore in una 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 legge del gas ideale

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