기체 법칙이 이상 기체의 서로 다른 성질들 사이의 관계를 요약한다면, 기체 분자 운동론은 기체가 왜 법칙을 따르는지를 설명합니다. 이 이론은 몇 가지 가정 또는 가설에 기초하고 있습니다. 첫 번째 가정은 기체 입자의 크기는 무시할 수 있을 정도로 작다는 것입니다.
기체는 대부분 입자의 크기보다 훨씬 큰 거리로 분리되어 있는 작은 입자들로 구성된 빈 공간입니다. 이런 입자들을 모은 부피는 기체를 포함하는 총 부피에 비해 무시할 수 있습니다. 입자 사이 간격이 좁아 압축이 불가능한 고체나 액체와는 달리 기체는 압축이 가능합니다.
기체 입자는 무작위 방향으로 끊임없이 직선 운동을 합니다. 운동 경로는 다른 입자나 용기의 벽과 충돌할 때만 바뀝니다. 두 번째 가정은 기체 입자가 완전 탄성 충돌 능력을 가지고 있다는 것입니다.
그들은 충돌할 때 서로 달라붙지 않고 튕겨 나갑니다. 이것은 당구 경기 중에 당구공이 충돌하는 것과 비교할 수 있습니다. 기체 입자들이 충돌할 때 서로 에너지를 교환하지만 에너지의 순손실은 없습니다.
다시 말하면 계의 총 에너지는 일정하게 유지됩니다. 기체 입자는 끊임없이 움직이므로 운동에너지를 가지고 있습니다. 따라서 세 번째 가정은 기체의 평균 운동 에너지가 켈빈 단위의 절대 온도에 비례한다는 것입니다.
이것은 운동 에너지가 온도에 따라 증가하며 결과적으로 입자들은 더 빨리 움직인다는 것을 의미합니다. 온도가 높을수록 속도가 증가합니다. 반대로 온도가 낮아지면 입자의 운동 에너지도 감소되며 입자들은 더 느리게 움직입니다.
주어진 온도에서 모든 기체는 분자 질량에 관계 없이 평균 운동 에너지가 다 같습니다. 운동 에너지는 질량과 속도 제곱을 곱한 것과 같습니다. 따라서 서로 다른 기체들이 동일한 평균 운동 에너지를 가지려면 기체 입자들은 평균 이동 속도가 서로 달라야 합니다.
따라서 무거운 기체는 평균 속도가 낮은 반면 가벼운 기체는 평균 속도가 더 높습니다. 예를 들어, 헬륨과 네온은 동일한 온도에서 평균 운동 에너지가 동일합니다. 하지만 질량의 차이로 인해 네온 원자는 헬륨 원자보다 훨씬 느리게 움직입니다.