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기체 분자 운동론: 기본 가정
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기체 법칙이 이상 기체의 서로 다른 성질들 사이의 관계를 요약한다면, 기체 분자 운동론은 기체가 왜 법칙을 따르는지를 설명합니다. 이 이론은 몇 가지 가정 또는 가설에 기초하고 있습니다. 첫 번째 가정은 기체 입자의 크기는 무시할 수 있을 정도로 작다는 것입니다.기체는 대부분 입자의 크기보다 훨씬 큰 거리로 분리되어 있는 작은 입자들로 구성된 빈 공간입니다. 이런 입자들을 모은 부피는 기체를 포함하는 총 부피에 비해 무시할 수 있습니다. 입자 사이 간격이 좁아 압축이 불가능한 고체나 액체와는 달리 기체는 압축이 가능합니다.기체 입자는 무작위 방향으로 끊임없이 직선 운동을 합니다. 운동 경로는 다른 입자나 용기의 벽과 충돌할 때만 바뀝니다. 두 번째 가정은 기체 입자가 완전 탄성 충돌 능력을 가지고 있다는 것입니다.그들은 충돌할 때 서로 달라붙지 않고 튕겨 나갑니다. 이것은 당구 경기 중에 당구공이 충돌하는 것과 비교할 수 있습니다. 기체 입자들이 충돌할 때 서로 에너지를 교환하지만 에너지의 순손실은 없습니다.다시 말하면 계의 총 에너지는 일정하게 유지됩니다. 기체 입자는 끊임없이 움직이므로 운동에너지를 가지고 있습니다. 따라서 세 번째 가정은 기체의 평균 운동 에너지가 켈빈 단위의 절대 온도에 비례한다는 것입니다.이것은 운동 에너지가 온도에 따라 증가하며 결과적으로 입자들은 더 빨리 움직인다는 것을 의미합니다. 온도가 높을수록 속도가 증가합니다. 반대로 온도가 낮아지면 입자의 운동 에너지도 감소되며 입자들은 더 느리게 움직입니다.주어진 온도에서 모든 기체는 분자 질량에 관계 없이 평균 운동 에너지가 다 같습니다. 운동 에너지는 질량과 속도 제곱을 곱한 것과 같습니다. 따라서 서로 다른 기체들이 동일한 평균 운동 에너지를 가지려면 기체 입자들은 평균 이동 속도가 서로 달라야 합니다.따라서 무거운 기체는 평균 속도가 낮은 반면 가벼운 기체는 평균 속도가 더 높습니다. 예를 들어, 헬륨과 네온은 동일한 온도에서 평균 운동 에너지가 동일합니다. 하지만 질량의 차이로 인해 네온 원자는 헬륨 원자보다 훨씬 느리게 움직입니다.
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기체 분자 운동론: 기본 가정
경험적 이상적인 가스 방정식은 거시적 특성 간의 관계를 설정하여 가스의 동작을 설명합니다. 예를 들어, 찰스의 법에 따르면 볼륨과 온도는 직접적으로 관련이 있습니다. 따라서 가스는 일정한 압력으로 가열될 때 확장됩니다. 가스 법은 거시적 특성이 서로 에 비해 어떻게 변화하는지 설명하지만, 그 뒤에 근거를 설명하지 않습니다.
운동 분자 이론은 압력 이나 온도 변화와 같은 조건이 변경될 때 분자 또는 원자 수준에서 가스 입자에 무슨 일이 일어나는지 이해하는 데 도움이 현미경 모델이다. 1857년 루돌프 클라우시우스는 가스의 행동에 대한 수백 가지 실험적 관찰을 바탕으로 개발된 기재를 통해 다양한 가스 법을 효과적으로 설명하는 이론의 완전하고 만족스러운 형태를 발표했습니다.
이 이론의 눈에 띄는 특징은 다음과 같습니다.
- 가스는 연속적인 움직임에 있는 입자(원자 또는 분자)로 구성되며, 다른 분자와 충돌하거나 용기의 벽과 충돌할 때만 직선으로 이동하고 방향을 변경합니다.
표준 온도 및 압력에서 아르곤 가스 샘플을 검사합니다. 그것은 단지 0.01%의 부피가 2개의 아르곤 원자 사이 3.3 nm의 평균 거리 (아르곤의 원자 반경은 0.097 nm)의 원자에 의해 채택된다는 것을 보여줍니다. 거리는 자체 치수보다 훨씬 큽습니다. - 가스를 구성하는 분자는 그들 사이의 거리에 비해 거의 작습니다. 따라서, 모든 가스 입자의 결합된 부피는 용기의 총 부피에 비해 무시할 수 있다. 입자는 질량이 있지만 무시할 수 있는 부피를 가진 “점”으로 간주됩니다.
- 용기에 가스가 가해지는 압력은 가스 분자와 컨테이너 벽 사이의 충돌로 인해 발생합니다.
- 가스 분자는 서로 또는 용기 벽에 매력적이거나 반발력을 발휘하지 않습니다. 따라서 충돌은 탄력적입니다 (에너지 손실을 포함하지 않음).
탄성 충돌 중에 충돌하는 입자 간에 에너지가 전달됩니다. 따라서 입자의 평균 운동 에너지는 일정하게 유지되며 시간이 지남에 따라 변경되지 않습니다. - 가스 분자의 평균 운동 에너지는 가스의 켈빈 온도에 비례합니다.
모든 가스는 분자 질량에 관계없이 동일한 온도에서 동일한 평균 운동 에너지를 가지고 있습니다.