ベルヌーイは、理想気体の法則と力学的エネルギーを使用して気体分子の分子特性を得るために、1738 年に初めて気体の運動理論と運動気体方程式を確立しました。二乗平均速度 (RMS) と気体分子の運動量に基づいて、ジュール、クローニッヒ、クラウジウス、ボルツマン、マクスウェルは、19 世紀に運動気体方程式の仮定と公式を開発しました。気体モデルの動力学理論では、分子間の距離に比べて分子は非常に小さいと見なされます。分子は絶え間なくランダムな動きをしており、定期的に互いに衝突したり、容器の壁に衝突したりしています。
気体の動力学理論
気体の運動論は、気体分子の挙動を説明するために一般的に使用されます。主に巨視的レベルでのガス分子の研究です。以下は、気体の動力学理論の 5 つの公準です:
ガスは、常にランダムに動き回る多数の分子で構成されています。
ガス分子間の距離は分子のサイズよりも大きいことが多いため、ガス分子の体積は無視できます。
分子間相互作用はありません。
分子が衝突し、容器の壁は常にエラストマーです。
すべての分子の平均運動エネルギーは、温度の影響を受ける可能性があります。
ガスの挙動に影響を与える要因
気温 (T ): ガス分子の圧力は、温度が上昇するにつれて増加します。
容器の容積が小さくなると、気体分子が動き回る余地が少なくなります。その結果、コンテナの壁に衝突する頻度が高くなり、圧力が高まります。
一定の温度では、ガスの圧力が増加すると、ガスの体積が減少します。
数量 (n ): 特定の容量の容器内のガス分子の数が増えると、圧力が上昇します。
気体の熱力学的挙動は、気体の動力学理論によって定義されます。この理論は、ガスの組成を構成する原子と分子の微視的な性質の観点から、ガスの巨視的な量を説明します。固体と液体の物理的性質は、その形状、サイズ、質量、および体積によって特徴付けることができますが、気体には明確な形状やサイズがなく、体積や質量を直接観察できないため、動力学理論を気体に適用できます。
気体の運動分子理論
粘度、熱伝導率、質量拡散率などの伝達特性と、体積、圧力、温度という気体の 3 つの特性について説明します。この理論は、巨視的な性質と微視的な現象の間の関係、および多数の超微視的な粒子の観点からのガスの分子構造を構築する試みに基づいています。ガスの分子は常にランダムな運動をしていると言われ、粒子は互いにランダムな弾性衝突を起こし、容器の囲いの壁と衝突します。この理論は、大きな粒子間距離と、粒子のサイズが比較的小さいことを前提としています。
運動気体方程式の導出
気体分子で満たされた長さ l' の立方体の容器を考えます。それぞれの質量は m で、容器内の気体分子の総数は N です。気体分子は、影響により V の速度でランダムな方向に移動します。
気体分子の圧力は、容器の壁の単位面積あたりの各気体分子によって加えられる力として定義され、方程式を使用して計算されます。
P=F/A
面 A に向かって X 方向に移動する気体分子を考えてみましょう。分子は速度 VX で壁に衝突し、同じ速度 VX で戻り、
に等しい運動量のシフトが発生します。Δp=-2m VX
N ガス分子の合計数に対する運動量の変化は次のように与えられます:
Δp=-2Nm VX
ここで力は次のように与えられます:
F=p/t
したがって、F=-2Nm VX/t
壁 A に衝突した後、ガス分子は箱を横切って逆流し、反対側の面に衝突し、方程式で決定される時間 t の後に再び壁 A に衝突します。
t=2l/VX
力の式に t の値を代入すると、次のようになります。
F=-2NmVX /2l/VX
F分子=–2NmVX 2lVX=-NmVX2/l
したがって、かかる力は次のようになります:
Fwall=NmVX2/l
圧力は次のように与えられます:
P=FA=NmVX2l3
したがって、PV=NmVX2
VX 、VY および Vzare は 3 つの独立した速度で 3 つの方向に動き、ガス分子をまとめて調べます:
VX2=Vy2=Vz2
したがって、V2=3 VX2
上記の式を代入すると、次のようになります:
PV=NmV2/3
したがって、
PV=13 NmV2
したがって、上記の方程式は動力学的理論方程式として知られています。
結論
気体の運動論は、気体分子の挙動を説明するために一般的に使用されます。気体モデルの動力学理論では、分子間の距離に比べて分子は非常に小さいと見なされます。ベルヌーイは、理想気体の法則を使用して気体分子の分子特性を取得するために、1738 年に初めて気体の運動理論と運動気体方程式を確立しました。気体の動力学理論には分子間相互作用はありません。運動分子理論は、粘度、熱伝導率、質量拡散率などの移動特性と、体積、圧力、温度という気体の 3 つの特性を説明します。固体と液体の物理的性質は、形状、サイズ、質量、および体積によって特徴付けることができます。
