Kinetyczna teoria gazów i wyjaśnianie zjawisk codziennych

Kinetyczna teoria gazów wykorzystuje do ich opisu model gazu doskonałego i stanowi jedną z metod ich analizy. Czym są gazy? Tworzą je poruszające się atomy lub cząsteczki, między którymi nie ma żadnych oddziaływań na większe odległości. Ze względu na ich swobodę ruchu, gazy wypełniają całą dostępną im objętość. Zastanówmy się teraz, dlaczego rozpatrujemy ich właściwości przez pryzmat tytułowej tezy. Przecież moglibyśmy o nich mówić tylko w kryteriach klasycznej termodynamiki. Niemniej jednak określa ona tylko makroskopowe cechy cząstek. Jest to ich temperaturę, objętość czy ciśnienie, a nie zwraca uwagi na drobiny. Dlatego właśnie powstała kinetyczna teoria gazów. Przy opisywaniu gazów za jej pomocą stosujemy model gazu doskonałego, czyli takiego, w którym cząsteczki nie przyciągają się, a jedynym oddziaływaniem między nimi jest odpychanie w momencie, w którym się ze sobą zderzają.

Kinetyczna teoria gazów i jej rola w opisywaniu prawdziwych gazów.

Koncepcja ta jest słuszna również dla faktycznie istniejących gazów, o ile tylko mają niewielką gęstość. Dlaczego tak? Wynika to z faktu, że gdy będą wystarczająco rozrzedzone, to faktycznie oddziaływania między ich molekułami będą tak małe, że będzie można je pominąć. Ten model znacząco uatrakcyjnia też fakt, że wyznaczono dla niego bardzo proste równania opisujące jego makroskopowe właściwości. Prawidłowości kinetycznej teorii gazów są na tyle uniwersalne, że znalazły swoje zastosowanie także w fizyce kwantowej. Na ich podstawie sformułowano bowiem koncepcję gazu Fermiego, stosowaną do opisu fermionów oraz gaz bozonów mówiący o właściwościach tychże cząstek. Choć te nazwy brzmią skomplikowanie, to warto pamiętać, że i fermionami, i bozonami są molekuły, które znamy i z którymi się spotykamy na lekcjach fizyki bądź chemii. Przykładami tych pierwszych są bowiem protony, neutrony, czy elektrony, a drugich fotony, czy jądra wielu atomów, jak deuteru czy helu.

Właściwości makroskopowe a kinetyczna teoria gazów

Zanim zaczniemy je omawiać, wprowadźmy jeszcze jedno istotne pojęcie, mianowicie mol. Jest to jednostka liczności materii, która określa liczbę molekuł w danej rzeczy. Jeden mol zawiera 6,02*1023 atomów, cząsteczek lub jonów w układzie. Wprowadzenie tej jednostki ułatwia badaczom pracę, gdyż mając próbki o określonej liczbie moli, mogą być pewni, że pracują z taką liczbą drobin, jaką potrzebują.

Przejdźmy teraz do jednej z tytułowych cech, czyli ciśnienia, Załóżmy, że mamy sześcienny pojemnik o stałej temperaturze, w którym zamknęliśmy określoną liczbę moli gazu. Wiemy, że cząsteczki w gazie poruszają się we wszystkich kierunkach, z różnymi prędkościami. Jak ich szybkość wpłynie na ciśnienie? Wszakże, jest ono skutkiem zderzeń cząsteczek gazu ze ściankami zbiornika.

Po takim uderzeniu cząstka uzyskuje jakiś pęd, zależny między innymi od prędkości średniej kwadratowej. Jej nazwa jest nieprzypadkowa, gdyż jest równa pierwiastkowi ze średniej z kwadratów prędkości molekuł w trzech osiach. Jest ona zależna od temperatury gazu. Dla przykładu, cząstki wodoru byłyby aż 82 razy szybsze na powierzchni Słońca niż w 25 st. Celsiusza! Znając ją, możemy otrzymać wzór na zależność ciśnienia od prędkości, który ma następującą postać: p = nMv2/3V, gdzie p oznacza ciśnienie gazu, n to liczba jego moli, M jest jego masą molową, v2 to prędkość średnia kwadratowa, a V oznacza objętość zbiornika.

Ponadto, od prędkości średniej kwadratowej bezpośrednio zależy prędkość dźwięku w danym gazie, gdyż fala dźwiękowa jest zaburzeniem, które przenosi się od cząsteczki do cząsteczki poprzez ich zderzenia. Nie wszystkie cząsteczki gazu (np. powietrza) nie będą się przemieszczać w tym samym kierunku co dźwięk. Prędkość jego rozchodzenia się będzie zawsze nieco mniejsza niż prędkość średnia kwadratowa.

Kinetyczna teoria gazów a rozprzestrzenianie się zapachów

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego tyle czasu musisz poczekać, aż poczujesz zapach rozpylanej substancji? Kinetyczna teoria gazów pozwala nam znaleźć odpowiedź i na to pytanie. Jest tak dlatego, że cząsteczki co rusz zderzają się ze sobą. Takie cząsteczki gazu poruszają się po torze walca, a nie po linii prostej. Dlatego też molekuły perfum, czy to odświeżacza powietrza nie będą poruszać się dokładnie w poprzek pomieszczenia. Jak więc będzie wyglądał ich ruch? Opisuje to wielkość zwana średnią drogą swobodną.

Im więcej mamy cząstek gazu w stosunku do jego objętości, tym będzie mniejsza. Jest tak dlatego, że im więcej drobin tym większe prawdopodobieństwo zderzenia się z którąś. Dla jej wartości istotna jest też wielkość cząstek. Podobnie, im większe one są, tym mniejszą odległość muszą przebyć przed uderzeniem. Przewidywanie tej wartości umożliwiło naukowcom zbadanie gazów znajdujących się w wyższych warstwach ziemskiej atmosfery, np. freonów czy ozonu. Niemniej jednak opisywane pojęcie znajduje swoje zastosowanie także w innych dziedzinach fizyki. Przykładowo, w astronomii, bada się średnią drogę swobodną promieniowania między gwiazdami, bądź w ich atmosferze.