5.6
إن معادلة الغاز المثالي، والتي هي تجريبية، تصف سلوك الغازات من خلال إقامة علاقات بين خصائصها الظاهرة للعين المجردة. على سبيل المثال، ينص قانون تشارلز’…
بينما تلخص قوانين الغاز العلاقات بين الخصائص المختلفة للغازات المثالية،توضح النظرية الجزيئية الحركية لماذا الغازات تتبع القوانين. تستند النظرية على عدد قليل من الافتراضات أو المسلمات. الافتراض الأول هو أن جزيئات الغاز حجمها ضئيل.
الغاز هو في الغالب مساحة فارغة،تتكون من جزيئات صغيرة،تفصل بينها مسافات أكبر بكثير من أبعادها الخاصة. حجمها المشترك لا يكاد يذكر بالنسبة للحجم الكلي الذي يحتوي على الغاز. على عكس المواد الصلبة والسوائل غير القابلة للضغط بسبب التقارب بين جسيماتها،فإنّالغازات شديدة الانضغاط.
تكون جزيئات الغاز في حالة ثابتة من الحركة على طول خطوط مستقيمة في اتجاهات عشوائية. مساراتهم تتغير فقط عندما تصطدم بجزيئات أخرى أو بجدران الإناء الخاص به. الافتراض الثاني هو أن جزيئات الغاز لديها تصادمات مرنة تماما.
يتصادمون ويهتزون من بعضهم البعض دون الالتصاق. يمكن مقارنة هذا بالتصادمات بكرات البلياردو خلال لعبة البلياردو. عندما تصطدم جزيئات الغاز،فإنها تتبادل الطاقة مع بعضها البعض،ولكن لا توجد خسارة صافية للطاقة.
بمعنى آخر،تبقى الطاقة الإجمالية للنظام ثابتة. جزيئات الغاز تتحرك باستمرار. لذلك،لديها طاقة حركية.
وهكذا،ينص الافتراض الثالث على أن متوسط الطاقة الحركية للغاز يتناسب مع درجة حرارته المطلقة بوحدة كلفن. هذا يعني أن الطاقة الحركية تزداد،مع زيادة درجة الحرارة،وبالتالي،تتحرك الجسيمات بشكل أسرع. وفي درجات حرارة أعلى،تزداد سرعتها.
على العكس،مع انخفاض درجة الحرارة،وكذلك الطاقة الحركية للجسيمات،تتحرك ببطء أكثر. عند درجة حرارة معينة،كل الغازات،بغض النظر عن كتلتها الجزيئية،لها نفس متوسط الطاقة الحركية. الطاقة الحركية تساوي الكتلة مضروبة في تربيع السرعة.
وبالتالي،من أجل حصول الغازات مختلفة علي نفس متوسط الطاقة الحركية،فإنّجزيئات الغاز الخاصة بهم يجب أن تسافر بسرعات متوسطة مختلفة. لذلك،الغازات الأثقل لها سرعات متوسطة أقل،بينما الغازات الأخف لها سرعات متوسطة أعلى. على سبيل المثال،الهيليوم والنيون عند نفس درجة الحرارة،لها نفس متوسط الطاقة الحركية.
ومع ذلك،بسبب الاختلاف في كتلها،تتحرك ذرات النيون أبطأ بكثير من ذرات الهليوم.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why is gas considered mostly empty space?
Gas particles are negligibly small compared to the distances separating them. In argon gas at standard conditions, only 0.01% of volume is occupied by atoms, with average spacing of 3.3 nm between particles versus an atomic radius of 0.097 nm. This vast separation makes the combined volume of all gas particles negligible relative to the container's total volume, explaining why gases are highly compressible unlike solids and liquids.
Q2: What happens to gas particles during elastic collisions?
During elastic collisions, gas particles exchange energy without losing any to the system. Like billiard balls bouncing off each other, particles collide and bounce apart without sticking together. The total kinetic energy remains constant throughout these collisions, and particles change direction only upon impact with other particles or container walls while traveling in straight lines between collisions.
Q3: How does temperature relate to gas particle kinetic energy?
The average kinetic energy of gas particles is directly proportional to absolute temperature in kelvin. As temperature increases, particles move faster and possess greater kinetic energy. Conversely, decreasing temperature reduces kinetic energy and particle velocity. At the same temperature, all gases have identical average kinetic energy regardless of molecular mass, though heavier gases move slower than lighter ones.
Q4: Why do different gases have different average velocities at the same temperature?
Since kinetic energy equals one-half mass times velocity squared, gases with different molecular masses must travel at different velocities to maintain equal average kinetic energy. Heavier gas particles move slower while lighter particles move faster. For example, helium atoms move much faster than neon atoms at identical temperatures because helium has lower mass.
Q5: How does kinetic molecular theory explain gas pressure?
Gas pressure results from collisions between gas molecules and container walls. Since molecules exert no attractive or repulsive forces on each other or walls, their collisions are elastic and transfer momentum to the walls. The constant random motion and frequent wall collisions of gas particles generate the measurable pressure exerted by the gas on its container.
Q6: What is the relationship between gas compressibility and particle spacing?
Gases are highly compressible because particles are separated by distances far greater than their own dimensions, leaving abundant empty space. When external pressure increases, particles can move closer together without significant resistance. In contrast, solids and liquids are incompressible because their particles are already closely spaced with minimal empty space available for compression.
Q7: How do the postulates of kinetic molecular theory connect to observable gas behavior?
The three postulates—negligible particle size, elastic collisions, and temperature-dependent kinetic energy—explain why gases follow empirical gas laws. These postulates, developed from hundreds of experimental observations, provide the microscopic foundation for understanding macroscopic gas properties. Kinetic molecular theory and gas laws explain properties of gas molecules at both molecular and observable levels.