5.6 : Молекулярно-кинетическая теория: основные постулаты

В то время как газовые законы характеризуют взаимосвязи между различными свойствами идеальных газов, молекулярно-кинетическая теория объясняет, почему газы подчиняются этим законам. Теория основана на нескольких предположениях или постулатах. Первое предположение заключается в том, что частицы газа незначительны по размеру.

Газ это в основном пустое пространство, заполненное мелкими частицами, разнесенными на расстояния, намного превышающие их собственные размеры. Их общий объем ничтожно мал по сравнению с общим объемом, в котором содержится газ. В отличие от твердых тел и жидкостей, которые невозможно сжать из-за малого расстояния между частицами, газы обладают высокой сжимаемостью.

Частицы газа находятся в постоянном движении по прямым линиям в случайных направлениях. Их пути меняются только тогда, когда они сталкиваются с другими частицами или со стенками емкости, в которой находятся. Второе предположение состоит в том, что частицы газа совершают идеально упругие столкновения.

Они сталкиваются и отскакивают друг от друга, не слипаясь. Это можно сравнить со столкновениями бильярдных шаров. Когда частицы газа сталкиваются, они обмениваются энергией друг с другом, но при этом не происходит чистой потери энергии.

Иными словами, полная энергия системы остается постоянной. Частицы газа постоянно движутся;следовательно, они обладают кинетической энергией. Таким образом, третье предположение гласит, что средняя кинетическая энергия газа пропорциональна его абсолютной температуре в Кельвинах.

Это означает, что кинетическая энергия увеличивается с температурой, и, следовательно, частицы движутся быстрее. При более высоких температурах их скорость увеличивается. И наоборот, с понижением температуры уменьшается кинетическая энергия частиц, и они движутся медленнее.

При заданной температуре все газы, независимо от их молекулярной массы, имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию. Кинетическая энергия равна квадрату массы, умноженной на скорость. Таким образом, чтобы разные газы имели одинаковую среднюю кинетическую энергию, их частицы должны перемещаться с разными средними скоростями.

Следовательно, более тяжелые газы имеют более низкие средние скорости, в то время как более легкие газы имеют более высокие средние скорости. Например, гелий и неон при одинаковой температуре имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию. Однако из-за разницы масс атомы неона движутся намного медленнее, чем атомы гелия.