Teoria molecolare cinetica: velocità molecolari, temperatura ed energia cinetica

Tutte le particelle di gas hanno un'energia cinetica, che è una funzione della massa della particella, definita in chilogrammi, e della velocità, o l'entità della sua velocità, in metri al secondo. Con ogni collisione, le velocità delle singole particelle di gas cambiano. Pertanto, una raccolta di particelle di gas ha effettivamente una distribuzione, o intervallo di velocità ed energie cinetiche diverse.

Ciò significa che in qualsiasi istante alcune molecole si muovono più lentamente di altre;tuttavia, l'energia cinetica media rimane la stessa. L'energia cinetica media è correlata alla media dei quadrati delle velocità, o velocità quadratica media:entrambe rimangono costanti ad una data temperatura per una data tipologia di gas. Ora, l'energia cinetica media di un mole di un gas viene espressa introducendo la costante di Avogadro, NA.Il prodotto della massa per particella e della costante di particelle per mole di Avogadro è uguale alla massa molare del gas in chilogrammi per mole.

Ricordiamo dalla teoria molecolare cinetica che l'energia cinetica media di una mole di gas è direttamente proporzionale alla temperatura. Attraverso derivazioni complesse, la costante di proporzionalità risulta essere 3/2 R.Combinando le due equazioni, riorganizzando i termini e prendendo la radice quadrata su entrambi i lati, si mette in relazione la radice quadrata della velocità quadratica media, chiamata anche velocità quadratica media, o RMS, la massa molare e la temperatura assoluta di un gas. La velocità RMS è inversamente proporzionale alla massa molare e direttamente proporzionale alla temperatura.

Supponiamo che due gas, elio e argon, siano alla stessa temperatura. Poiché l'elio ha la massa molare inferiore, l'equazione indica che l'elio deve avere una velocità RMS maggiore dell'argon. Un'osservazione simile viene fatta in un grafico della distribuzione delle velocità molecolari per tre gas.

Elio, argon e cloro. alla stessa temperatura. Notate che anche se tutti i gas hanno la stessa energia cinetica media, il gas più leggero, l'elio, ha sia la velocità RMS più alta che la distribuzione di velocità più ampia, corrispondente alla più ampia gamma di velocità molecolari.

Un grafico della distribuzione della velocità per qualsiasi gas, per esempio l'argon, a diverse temperature mostra un aumento della velocità RMS e un ampliamento della distribuzione della velocità a temperature più elevate. In breve, i gas si muovono più velocemente a temperature più elevate. Per esempio, le particelle di gas che causano aroma dal cibo caldo si muovono più velocemente di quelle dal cibo freddo.

Pertanto, il cibo caldo viene rilevato più velocemente di quello freddo.