การทดลองกับทฤษฎีโมเลกุลเกี่ยวกับการเคลื่อนไหว

เนื้อหา

• สมมติฐานของทฤษฎีจลน์
• คุณสมบัติของก๊าซที่อธิบายโดยใช้ทฤษฎีจลน์
• กฎหมายแก๊สที่สมบูรณ์แบบ
• การเบี่ยงเบนจากพฤติกรรมของก๊าซที่สมบูรณ์แบบ

ทฤษฎีโมเลกุลจลน์ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในนามทฤษฎีจลน์ของแก๊สเป็นแบบจำลองอันทรงพลังที่พยายามอธิบายลักษณะที่วัดได้ของก๊าซในแง่ของการเคลื่อนที่ของอนุภาคก๊าซขนาดเล็ก ทฤษฎีจลน์ศาสตร์อธิบายคุณสมบัติของก๊าซในแง่ของการเคลื่อนที่ของอนุภาค ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ตั้งอยู่บนสมมติฐานหลายประการและด้วยเหตุนี้มันจึงเป็นแบบจำลองโดยประมาณ

สมมติฐานของทฤษฎีจลน์

แก๊สในโมเดลจลน์ถือว่าเป็น "สมบูรณ์แบบ" ก๊าซที่สมบูรณ์แบบประกอบด้วยโมเลกุลที่เคลื่อนที่แบบสุ่มทั้งหมดและไม่หยุดนิ่ง การชนกันของอนุภาคก๊าซทั้งหมดนั้นยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์ซึ่งหมายความว่าไม่มีการสูญเสียพลังงาน (ถ้าไม่ใช่กรณีนี้โมเลกุลของก๊าซจะหมดพลังงานและสะสมบนพื้นภาชนะ) ในที่สุดสมมติฐานต่อไปก็คือขนาดของโมเลกุลนั้นมีความสำคัญน้อยมากซึ่งหมายความว่าพวกมันมีเส้นผ่านศูนย์กลางเป็นศูนย์ มันเกือบจะเป็นจริงสำหรับก๊าซ monoatomic ขนาดเล็กมากเช่นฮีเลียมนีออนหรืออาร์กอน ข้อสันนิษฐานสุดท้ายคือโมเลกุลของก๊าซจะไม่ทำงานยกเว้นเมื่อชนกัน ทฤษฎีจลน์ไม่ได้พิจารณาแรงไฟฟ้าสถิตใด ๆ ระหว่างโมเลกุล

คุณสมบัติของก๊าซที่อธิบายโดยใช้ทฤษฎีจลน์

ก๊าซมีคุณสมบัติที่แท้จริงสามประการคือความดันอุณหภูมิและปริมาตร คุณสมบัติทั้งสามนี้เชื่อมโยงซึ่งกันและกันและสามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ ความดันเกิดจากอนุภาคที่กระทบผนังของภาชนะบรรจุก๊าซ ภาชนะที่ไม่แข็งเช่นบอลลูนจะขยายตัวจนกว่าแรงดันก๊าซภายในบอลลูนเท่ากับที่อยู่ด้านนอกของบอลลูน เมื่อก๊าซมีความดันต่ำจำนวนการชนจะน้อยกว่าที่ความดันสูง การเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซในปริมาตรคงที่ยังเพิ่มแรงดันเมื่อความร้อนทำให้อนุภาคเคลื่อนที่เร็วขึ้น ในทำนองเดียวกันการขยายปริมาณที่ก๊าซสามารถเคลื่อนที่ลดความดันและอุณหภูมิ

กฎหมายแก๊สที่สมบูรณ์แบบ

Robert Boyle เป็นกลุ่มแรกที่ค้นพบการเชื่อมโยงระหว่างคุณสมบัติของก๊าซ กฎหมาย Boyles ระบุว่าที่อุณหภูมิคงที่ความดันของก๊าซจะแปรผกผันกับปริมาณของมัน กฎของชาร์ลส์หลังจากที่ฌาคส์พิจารณาถึงอุณหภูมิพบว่าสำหรับแรงดันคงที่ปริมาตรของก๊าซจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิของมันสมการเหล่านี้ถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างสมการสถานะก๊าซที่สมบูรณ์แบบสำหรับหนึ่งโมลของก๊าซ pV = RT โดยที่ p คือความดัน V คือปริมาตร T คืออุณหภูมิและ R คือค่าคงที่ของก๊าซสากล

การเบี่ยงเบนจากพฤติกรรมของก๊าซที่สมบูรณ์แบบ

กฎหมายก๊าซที่สมบูรณ์แบบทำงานได้ดีสำหรับแรงกดดันต่ำ เมื่อความดันสูงหรือโมเลกุลของแก๊สอุณหภูมิต่ำเข้ามาใกล้พอที่จะโต้ตอบ มันคือการมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งก่อให้เกิดก๊าซที่ควบแน่นเป็นของเหลวและหากปราศจากสิ่งเหล่านี้ก็จะเป็นก๊าซ การโต้ตอบเชิงโต้ตอบเหล่านี้เรียกว่ากองกำลัง Van der Waals ดังนั้นสมการแก๊สที่สมบูรณ์แบบสามารถแก้ไขได้เพื่อรวมส่วนประกอบเพื่ออธิบายแรงระหว่างโมเลกุล สมการที่ซับซ้อนกว่านี้เรียกว่าสมการของ Van der Waals แห่งรัฐ