ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ

ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ

ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Η μελέτη της συμπεριφοράς των αερίων είχε σαν αποτέλεσμα να έχουμε τις σημερινές αντιλήψεις μας για την ύλη και τη θερμότητα.Αυτό πραγματοποιήθηκε με την προσπάθεια μερικών από τους πιο σημαντικούς θεωρητικούς και πειραματικούς φυσικούς,στη διάρκεια του αιώνα που πέρασε και στις αρχές του αιώνα μας.

Τα κομπρεσέρ που χρησιμοποιούμε για να τρυπάμε  πέτρες,βασίζουν τη λειτουργία τους  σε διαδικασίες στις οποίες συμμετέχουν αέρια

 Η συμπεριφορά των αερίων είχε πρακτικό ενδιαφέρον.Οι ατμοστρόβιλοι της ΔΕΗ,οι μηχανές των αυτοκινήτων και μια σειρά από εργαλεία,όπως τα κομπρεσέρ που χρησιμοποιούμε για να τρυπάμε  πέτρες,βασίζουν τη λειτουργία τους  σε διαδικασίες στις οποίες συμμετέχουν αέρια.

Η κινητική θεωρία των αερίων περιγράφει ένα αέριο ως ένα μεγάλο αριθμό μικρών σωματιδίων (ατόμων ή μορίων),τα οποία βρίσκονται σε συνεχή,τυχαία κίνηση

 Η κινητική θεωρία των αερίων περιγράφει ένα αέριο ως ένα μεγάλο αριθμό μικρών σωματιδίων (ατόμων ή μορίων),τα οποία βρίσκονται σε συνεχή,τυχαία κίνηση.Τα ταχέως κινούμενα σωματίδια συγκρούονται συνεχώς μεταξύ τους με τα τοιχώματα του δοχείου.

Η κινητική θεωρία εξηγεί μακροσκοπικές ιδιότητες των αερίων,όπως η πίεση,η θερμοκρασία,ή τον όγκο,εξετάζοντας μοριακή σύνθεση και η κίνησή τους

 Η κινητική θεωρία εξηγεί μακροσκοπικές ιδιότητες των αερίων,όπως η πίεση,η θερμοκρασία,ή τον όγκο,εξετάζοντας μοριακή σύνθεση και η κίνησή τους.Ουσιαστικά,η θεωρία υποθέτει ότι η πίεση δεν οφείλεται στη στατική άπωση μεταξύ των μορίων,όπως ήταν η εικασία του Ισαάκ Νεύτωνα,αλλά λόγω των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες μέσω της κίνησης Brown.
 Όπως επισημάνθηκε από τον Albert Einstein το 1905,αυτή η πειραματική απόδειξη για την κινητική θεωρία θεωρείται γενικά ότι έχει επιβεβαιωθεί η ύπαρξη των ατόμων και των μορίων.

Η θεωρία υποθέτει ότι η πίεση δεν οφείλεται στη στατική άπωση μεταξύ των μορίων αλλά λόγω των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες

 Σε αντίθεση με ότι συμβαίνει στα αέρια,τα μόρια των στερεών βρίσκονται σε μικρή μεταξύ τους απόσταση και οι μεταξύ τους δυνάμεις είναι ισχυρές,γι’ αυτό τα στερεά έχουν ορισμένο σχήμα και όγκο.Τα μόρια των στερεών δε μετατοπίζονται αλλά ταλαντώνονται γύρω από ορισμένη θέση.

Τα μόρια των αερίων

 Στην ενδιάμεση κατάσταση,στα υγρά,οι δυνάμεις ανάμεσα στα μόρια είναι σημαντικές,όχι όμως τόσο μεγάλες όσο στα στερεά,με συνέπεια τα υγρά να έχουν ορισμένο όγκο αλλά όχι δικό τους σχήμα.

 Θα μελετήσουμε τους νόμους που διέπουν τη συμπεριφορά των αερίων,όπως αυτή γίνεται αντιληπτή μακροσκοπικά.Στη συνέχεια θα δούμε πώς,με την υπόθεση ότι τα αέρια αποτελούνται από μόρια στα οποία αποδώσαμε ορισμένες ιδιότητες,καταφέραμε να εξηγήσουμε τη συμπεριφορά τους.

ΜΑΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ

 Για να μελετήσουμε πως συμπεριφέρεται ένα αέριο,π.χ. όταν η θερμοκρασία του διατηρείται σταθερή ενώ μεταβάλλεται ο όγκος του,μετρούμε με ένα μανόμετρο την πίεση που έχει το αέριο κάθε φορά και καταλήγουμε έπειτα από πολλές μετρήσεις στο γνωστό νόμο P·V=σταθ.

Μανόμετρα ονομάζονται τα όργανα με τα οποία μετράμε την πίεση σε κάποιο σημείο ενός υγρού ή αερίου

 Η πειραματική αυτή μελέτη της συμπεριφοράς του αερίου ονομάζεται μακροσκοπική.Τα μεγέθη που χρησιμοποιεί,όπως η πίεση,ο όγκος,η θερμοκρασία ονομάζονται μακροσκοπικά ή θερμοδυναμικά μεγέθη,ή θερμοδυναμικές μεταβλητές.

Μακροσκοπική λέγεται η μελέτη όταν σ’ αυτή δεν υπεισέρχονται υποθέσεις,θεωρίες ή και μεγέθη που έχουν σχέση με τη δομή ή τη σύσταση των αντικειμένων που συμμετέχουν στο φαινόμενο

 Μακροσκοπική λέγεται η μελέτη όταν σ’ αυτή δεν υπεισέρχονται υποθέσεις,θεωρίες ή και μεγέθη που έχουν σχέση με τη δομή ή τη σύσταση των αντικειμένων που συμμετέχουν στο φαινόμενο.
 Στην αντίθετη περίπτωση η μελέτη λέγεται μικροσκοπική.Μπορούμε να μελετήσουμε την συμπεριφορά των αερίων θεωρητικά,αν λάβουμε υπόψη ότι το αέριο αποτελείται από μόρια τα οποία κινούνται,συγκρούονται,κτυπούν τα τοιχώματα του δοχείου κ.λ.π.Η περιγραφή της συμπεριφοράς του αερίου με τον τρόπο αυτό λέγεται μικροσκοπική.

Μικροσκοπική λέγεται η μελέτη της συμπεριφοράς των αερίων θεωρητικά,αν λάβουμε υπόψη ότι το αέριο αποτελείται από μόρια τα οποία κινούνται,συγκρούονται,κτυπούν τα τοιχώματα του δοχείου

 Μικροσκοπική λέγεται η μελέτη της συμπεριφοράς των αερίων θεωρητικά,αν λάβουμε υπόψη ότι το αέριο αποτελείται από μόρια τα οποία κινούνται,συγκρούονται,κτυπούν τα τοιχώματα του δοχείου.
 Ένα παράδειγμα είναι αν συνδέσουμε μια λάμπα στους πόλους μιας μπαταρίας η λάμπα θα ανάψει.Το φαινόμενο μπορεί να μελετηθεί αν μετρηθεί η τάση,η ένταση του ρεύματος,η θερμοκρασία του σύρματος της λάμπας,τα ποσά θερμότητας που εκπέμπει κλπ.Αυτή είναι η μακροσκοπική μελέτη.

Αν  αναφερθούμε στο είδος των σωματιδίων που κινούνται μέσα στο σύρμα,στην ταχύτητά τους,στις κρούσεις τους κ.λ.π.,μελετάμε μικροσκοπικά το φαινόμενο

 Αν αντίθετα,προσπαθώντας να εξηγήσουμε το φαινόμενο,αναφερθούμε στο είδος των σωματιδίων που κινούνται μέσα στο σύρμα,στην ταχύτητά τους,στις κρούσεις τους κ.λ.π.,μελετάμε μικροσκοπικά το φαινόμενο.

Η δυσκολία σ' αυτόν τον τρόπο μελέτης είναι ότι πρέπει να ξέρουμε τη συμπεριφορά ενός μεγάλου πλήθους μορίων για να περιγράψουμε το αέριο

 Η δυσκολία σ' αυτόν τον τρόπο μελέτης είναι ότι πρέπει να ξέρουμε τη συμπεριφορά ενός μεγάλου πλήθους μορίων για να περιγράψουμε το αέριο.Το πόσο δύσκολο είναι αυτό μπορούμε να το διαπιστώσουμε με το εξής παράδειγμα.Για να βρούμε τις ταχύτητες των μορίων ενός λίτρου αερίου σε κανονικές συνθήκες,χρειάζεται να επιλύσουμε περίπου 80.000.000.000. 000.000.000.000(8·10²²⁾ εξισώσεις.Κάτι τέτοιο όμως ακόμα και με ηλεκτρονικούς υπολογιστές είναι πρακτικά αδύνατο,αφού ένας μέσος υπολογιστής θα χρειαζόταν πάνω από 500.000 χρόνια.

Η δυσκολία στον μικροσκοπικό τρόπο μελέτης είναι ότι πρέπει να ξέρουμε τη συμπεριφορά ενός μεγάλου πλήθους μορίων για να περιγράψουμε το αέριο

 Η δυσκολία αυτή αντιμετωπίζεται με την βοήθεια της στατιστικής μηχανικής η οποία υπολογίζει και αξιοποιεί μέσες τιμές μεγεθών.Στο πιο πάνω παράδειγμα με τη βοήθεια της στατιστικής μηχανικής υπολογίζεται η μέση ταχύτητα των μορίων του αερίου,την οποία συσχετίζουμε με τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων και με τη βοήθεια των νόμων της μηχανικής βρίσκουμε την πίεση του αερίου.

 H Στατιστική μηχανική είναι η εφαρμογή της θεωρίας πιθανοτήτων,η οποία περιλαμβάνει τα μαθηματικά εργαλεία για την αντιμετώπιση μεγάλων πληθυσμών,στο πεδίο της μηχανικής,η οποία ασχολείται με την κίνηση σωματιδίων ή αντικειμένων που υπόκεινται σε μια δύναμη

 H Στατιστική μηχανική είναι η εφαρμογή της θεωρίας πιθανοτήτων,η οποία περιλαμβάνει τα μαθηματικά εργαλεία για την αντιμετώπιση μεγάλων πληθυσμών,στο πεδίο της μηχανικής,η οποία ασχολείται με την κίνηση σωματιδίων ή αντικειμένων που υπόκεινται σε μια δύναμη.

Η περιγραφή της συμπεριφοράς των αερίων μπορεί να γίνει είτε μακροσκοπικά με βάση τα πειραματικά δεδομένα χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η δομή του αερίου,είτε μικροσκοπικά με τη βοήθεια της στατιστικής μηχανικής λαμβάνοντας υπόψη τη δομή του αερίου

 Η περιγραφή της συμπεριφοράς των αερίων μπορεί να γίνει είτε μακροσκοπικά με βάση τα πειραματικά δεδομένα χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η δομή του αερίου,είτε μικροσκοπικά με τη βοήθεια της στατιστικής μηχανικής λαμβάνοντας υπόψη τη δομή του αερίου.Γενικότερα η μακροσκοπική και η μικροσκοπική μελέτη της συμπεριφοράς της ύλης δίνουν μαζί μία ενοποιημένη αληλοσυμπληρούμενη γνώση του κόσμου,αφού η διπλή αυτή μελέτη εφαρμόζεται γενικά σ' όλο το πεδίο των φυσικών επιστημών.

Για τη φυσική παραμένει ως στόχος,να εξηγήσει τους πειραματικούς-μακροσκοπικούς νόμους της με τη βοήθεια μικροσκοπικών μεγεθών όπως η ταχύτητα,η ορμή,η ενέργεια των μορίων αερίου κ.α

 Ειδικά για τη φυσική παραμένει ως στόχος,να εξηγήσει τους πειραματικούς-μακροσκοπικούς νόμους της με τη βοήθεια μικροσκοπικών μεγεθών όπως η ταχύτητα,η ορμή,η ενέργεια των μορίων αερίου κ.α.Αλλά και χωρίς μια τέτοια εξήγηση οι μακροσκοπικοί νόμοι δεν παύουν να παραμένουν ορθοί και χρήσιμοι.

Στις φυσικές επιστήμες η μακροσκοπική και η μικροσκοπική μελέτη των φαινομένων συνυπάρχουν

 Στο χώρο των φυσικών επιστημών η μακροσκοπική και η μικροσκοπική μελέτη των φαινομένων συνήθως συνυπάρχουν.Στα αέρια η μακροσκοπική μελέτη προηγήθηκε της μικροσκοπικής.Στα μέσα του 17ου αιώνα και μετά από μακροσκοπική μελέτη, διατυπώθηκαν οι νόμοι των αερίων από τους Boyle,Charles και Gay-Lussac.Αργότερα (τέλη του 19ου αιώνα) άρχισε η μικροσκοπική τους μελέτη.
 Η μικροσκοπική μελέτη βοήθησε να ερμηνεύσουμε τους μακροσκοπικούς νόμους,να εξηγήσουμε τη συμπεριφορά των αερίων  και,γενικά,να κατανοήσουμε σε βάθος την αέρια φάση.
 Η πιο απλή μορφή του μικροσκοπικού τρόπου μελέτης της συμπεριφοράς της ύλης είναι η κινητική θεωρία των αερίων.