وصف سلوك الغازات الحقيقية باستخدام نظرية الحركية الجزيئية

افتراض الغاز المثالي بواسطة النظرية الحركية الجزيئية. الفائدة الرئيسية لنظرية الحركة الجزيئية هي فهم الغازات والتنبؤ بسلوكياتها. يساعد في ربط السلوكيات المجهرية للغازات المثالية بالخصائص العيانية للغازات الأخرى. عند استخدام النظرية الحركية الجزيئية للغاز المثالي تم إجراء خمسة افتراضاتتحتوي الغازات على العديد من الجزيئات في حركة ثابتة وعشوائية وخطية. وهذا يعني أن جزيئات الغازات تتحرك بحرية في حركة خطية وحركتها ثابتة ولا تتغير.

يعتبر حجم جميع الجزيئات مهملاً تقريباً مقارنة بالحجم الإجمالي للغاز. لأن جزيئات الغاز بعيدة جدًا عن بعضها البعض، لذا فإن الحجم بأكمله هو حجم الحيز الذي تشغله. كأفراد فإن حجمهم لا يكاد يذكرنظرًا لأن الجزيئات بعيدة جدًا عن بعضها البعض، فإن القوى بين الجزيئات في الغاز تكون مهملة. تتحرك الجزيئات بشكل عشوائي وحر بسبب عدم وجود أي جاذبية فيما بينها.

التصادم بين جزيئات الغاز مرن. وهذا يعني أن جزيئات الغاز لها نفس الطاقة الحركية عند درجة حرارة ثابتة. ولكن هذا لا ينطبق عندما تتغير درجة الحرارةعند أي درجة حرارة، جميع جزيئات الغاز لها نفس الطاقة الحركية في حالة التوازن. وهذا يعني أن متوسط الطاقة الحركية لجزيئات الغاز يتناسب طرديا مع درجة الحرارة أو درجة الحرارة المطلقة.

معادلة الحركية الجزيئية. تتحدث النظرية الحركية الجزيئية عن حالة المادة وتعتمد على مفهوم أن المادة تتكون من جزيئات صغيرة. تتحرك هذه الجسيمات بحرية. تم تطوير معادلة الغاز الجزيئي الحركية ونظريته من قبل برنولي في عام 1738. لأن جزيئات الغازات تتحرك بحرية كبيرة ولا تتوفر قوة الجذب لربطها ببعضها البعض.

وفي القرن التاسع عشر عمل جول، وكروينج، وكلاوزيوس، وبولتزمان، وماكسويل على هذه النظرية، وقدموا معادلة حركية للغاز على أساس الجذر التربيعي المتوسط للسرعة. يتم استخدام هذه المعادلة لاستنتاج متوسط الجذر التربيعي للسرعة وكثافة جزيئات الغاز. متوسط سرعة الجذر التربيعي. يحتوي الغاز على عدد كبير من الجزيئات وكل جزيء لديه سرعة معينة. متوسط الجذر التربيعي للسرعة هو متوسط مربع سرعة جميع الغازات. وتُعرف أيضًا باسم الجذر التربيعي المتوسط للسرعة/السرعة. ويمكننا استنتاج ذلك من معادلة الغاز الحركي وقوانين الغاز المثالي.

دعونا نرى مثالاً على سرعة الجذر التربيعي المتوسط للغازات. ومن صيغة الجذر التربيعي المتوسط، يتضح أن ذلك يعتمد على درجة الحرارة والكتلة الجزيئية، بشكل مباشر وعكسي على التوالي. مع زيادة الكتلة الجزيئية تقل السرعة ومع زيادة درجة الحرارة تزداد السرعة. إذا كانت درجة حرارة الغاز 300 كلفن وكان الغاز هو ثاني أكسيد الكربون فإن جذر متوسط مربع سرعته تكون على النحو التالي.

انتشار. إنها حركة الجزيئات من التركيز العالي إلى التركيز المنخفض. ويحدث ذلك عندما تصطدم الجزيئات بحرية مع بعضها البعض. يساعد في نقل الجزيئات من وإلى الخلايا. تتم حركة الجزيئات من منطقة التركيز الأعلى إلى منطقة التركيز الأقل. يحدث ذلك نزولاً من تدرج التركيز.

انتشار المواد الصلبة والسائلة والغازيةيحدث الانتشار في السوائل والغازات لأن الجزيئات تتحرك بحرية. الانتشار مرتفع جدًا في الغازات لأن الجزيئات بعيدة جدًا عن بعضها البعض. في جزيئات السوائل، الحركة ليست عشوائية، لذا فإن الانتشار أقل من الغازات ولكنه أعلى من المواد الصلبة. في المواد الصلبة، تكون الجزيئات متراصة بإحكام مع بعضها البعض حتى لا تظهر الجزيئات انتشارًا.

دعونا نناقش مثالا. عندما نضيف كيس شاي إلى كوب من الماء الساخن فإنه ينتشر في الماء ويتغير لونه. يحدث هذا لأن جزيئات السائل تتحرك بحرية. عندما نرش مزيل العرق فإنه ينتشر في هواء الغرفة. وبسبب ذلك، يمكننا أن نشعر بالرائحة. يحدث هذا لأن جزيئات الغاز تتحرك بشكل عشوائي ولها معدل انتشار مرتفع.

معدل الانتشاركما هو محدد في قانون غراهام فإن معدل انتشار جزيئات الغاز يتناسب عكسيا مع الجذر التربيعي لكتلته المولية. صيغتها هي كما يلي. وتعرف أيضًا بأنها كمية الغاز المارة عبر وحدة مساحة من الزمن. هناك العديد من العوامل التي تؤثر على معدل الانتشار مثل درجة الحرارة والكتلة الجزيئية وتدرج التركيز.

منحنى ماكسويل بولتزمان. تتحرك الجزيئات في الغاز بحرية ولكن لا تتحرك جميعها بنفس السرعة. تتحرك بعض الجزيئات بسرعة كبيرة، ويتحرك بعضها بسرعة معتدلة، وبعضها بالكاد يتحرك. ولهذا السبب لا نستطيع أن نأخذ في الاعتبار سرعة جزيء واحد فقط. وبذلك نتمكن من التعرف على توزيع سرعة الغاز عند درجة حرارة معينة.

أجاب جيمس كليرك ماكسويل ولودفيج بولتزمان على هذا التساؤل في أواخر الثمانينيات. وهذا يوضح سرعة توزيع جزيئات الغاز المثالي. يُسمى هذا بتوزيع/منحنى ماكسويل بولتزمان. يمكننا التنبؤ من خلال هذا المنحنى أنه إذا كان المنحنى أعلى في منطقة معينة، فهذا يعني أن جزيئات الغاز تتحرك بهذه السرعة. تعطي المساحة الموجودة أسفل المنحنى عدد الجزيئات لكل وحدة سرعة.