Gazların kinetik teorisi, gazı oluşturan moleküler parçacıkların hareketi olarak bir gazın fiziksel davranışını açıklayan bilimsel bir modeldir.
Bu modelde, gazı oluşturan submikroskopik parçacıklar (atomlar veya moleküller) sürekli olarak rastgele hareket eder ve sürekli olarak hem birbirleriyle hem de gazın içinde bulunduğu herhangi bir kabın kenarlarıyla da çarpışır. Gazın ısı ve basınç gibi fiziksel özelliklerine yol açan bu harekettir.
Gazların kinetik teorisine sadece kinetik teori olarak adlandırıldığı gibi kinetik model veya kinetik-moleküler model de denir. Aynı zamanda sıvıların yanı sıra gaza da birçok şekilde uygulanabilir.
Aşağıda tartışılan Brown hareketi örneği kinetik teori akışkanlara uygulanır.
Gazların Kinetik Teorisinin Tarihi
Yunan filozofu Lucretius, atomizm biçiminin savunucusuydu ancak bu Aristoteles’in atomik olmayan eseri üzerine inşa edilmiş fiziksel bir gaz modeli lehine birkaç yüzyıl boyunca büyük ölçüde atıldı. Küçük parçacıklar olarak bir madde teorisi olmadan, kinetik teori bu Aristo çevresinde gelişmemiştir.
Daniel Bernoulli’nin çalışması, 1738 yılında Hydrodynamica yayınıyla kinetik teoriyi Avrupalı bir izleyiciye sundu. O zamanlar, enerjinin korunması gibi ilkeler bile oluşturulmamıştı ve bu nedenle yaklaşımlarının çoğu yaygın olarak benimsenmedi.
Önümüzdeki yüzyıl boyunca kinetik teori, bilimden ve atomlardan oluşan maddenin modern görüşünü benimseyen bilim adamlarına doğru artan bir eğilimin bir parçası olarak daha yaygın olarak benimsenecekti.
Kinetik teoriyi ve atomizmi deneysel olarak doğrulayan linçpinlerden biri genel olarak Brownian hareketi ile ilgiliydi. Bu, bir mikroskop altında rastgele salındığı görünen bir sıvı içinde asılı küçük bir parçacığın hareketidir.
Albert Einstein 1905 yılında yazdığı makalesinde Brownian hareketini sıvıyı oluşturan parçacıklarla rastgele çarpışmalar açısından açıkladı. Bu makale Einstein’ın doktora tez çalışmasının bir sonucuydu ve burada probleme istatistiksel yöntemler uygulayarak bir difüzyon formülü oluşturdu.
Benzer bir sonuç, 1906’da çalışmalarını yayınlayan Polonyalı fizikçi Marian Smoluchowski tarafından bağımsız olarak gerçekleştirildi. Birlikte, kinetik teorinin bu uygulamaları, sıvıların ve gazların (ve muhtemelen de katıların) oluştuğu fikrini desteklemek için uzun bir yol kat etti.
Kinetik Moleküler Teorinin Varsayımları
Kinetik teori, ideal bir gaz hakkında konuşmaya odaklanan bir dizi varsayımı içerir.
- Moleküller nokta parçacıkları olarak işlem görür. Özellikle bunun bir sonucu, boyutlarının parçacıklar arasındaki ortalama mesafeye kıyasla son derece küçük olmasıdır.
- Tek tek parçacık davranışlarının izlenmesi mümkün olmadığı ölçüde moleküllerin (N) sayısı çok fazladır. Bunun yerine sistemin bir bütün olarak davranışını analiz etmek için istatistiksel yöntemler uygulanır.
- Her molekül diğer herhangi bir moleküle özdeş olarak işlem görür. Çeşitli özellikleri bakımından birbirlerinin yerine kullanılabilirler. Bu, tek tek parçacıkların izlenmesi gerekmediği ve teorinin istatistiksel yöntemlerinin sonuçlara ve tahminlere ulaşmak için yeterli olduğu fikrini desteklemeye yardımcı olur.
- Moleküller sürekli ve rastgele hareket halindedir. Newton’un hareket yasalarına uyarlar.
- Parçacıklar arasındaki ve duvarları arasındaki çarpışmalar mükemmel elastik çarpışmalardır.
- Gaz kaplarının duvarları mükemmel bir şekilde rijit olarak işlem görür, hareket etmez ve sonsuz miktarda masiftir (parçacıklara kıyasla).
- Bu varsayımların sonucu, bir konteyner içinde rastgele hareket eden bir gazın bulunmasıdır. Gaz parçacıkları kabın yanıyla çarpıştığında, kabın yanından mükemmel elastik bir çarpışmada sıçrarlar yani 30 derecelik bir açıyla vururlarsa 30 derecelik bir açıyla sıçrarlar. Hızlarının kabın yanına dik bileşeni yön değiştirir ancak aynı büyüklüğü korur.
İdeal Gaz Yasası
Gazların kinetik teorisi önemlidir, çünkü yukarıdaki varsayımlar dizisi bizi basınç (p), hacim (V) ve sıcaklık (T) ile ilişkilendiren ideal gaz yasasını veya ideal gaz denklemini türetmemize neden olur.
Boltzmann sabiti (k) açısından ve molekül sayısı (N) ile ortaya çıkan ideal gaz denklemi:
p.V = n . R. T
