ตามกฎแล้วเรารู้จักโลกผ่านสิ่งที่เรียกว่าวัตถุขนาดใหญ่ ("มาโคร" ในภาษากรีก - ใหญ่) นี่คือร่างกายทั้งหมดที่อยู่รอบตัวเรา บ้าน รถยนต์ น้ำในแก้ว น้ำในมหาสมุทร ฯลฯ เราสนใจว่าเกิดอะไรขึ้นกับร่างกายเหล่านี้และรอบตัวพวกเขา ตอนนี้เราจะสนใจสิ่งที่เกิดขึ้นภายในร่างกายด้วย ส่วนของฟิสิกส์ที่เรียกว่า MKT จะช่วยเราตอบคำถามนี้
MKT - ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุล มันอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพและคุณสมบัติของร่างกายในแง่ของโครงสร้างจุลทรรศน์ภายใน ทฤษฎีนี้มีพื้นฐานมาจากสามข้อความ:

ร่างกายทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กซึ่งมีช่องว่าง
อนุภาคของร่างกายมีการเคลื่อนที่แบบสุ่มตลอดเวลา
อนุภาคของร่างกายมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน: พวกมันดึงดูดและขับไล่

ข้อความเหล่านี้เรียกว่าข้อกำหนดพื้นฐานของ ILC ทั้งหมดได้รับการยืนยันจากการทดลองมากมาย

ในแนวทางที่มองด้วยตาเปล่า เราสนใจในตัวร่างกายเอง: ขนาด ปริมาตร มวล พลังงาน และอื่นๆ ลองดูที่ภาพด้านซ้าย ตัวอย่างเช่น การศึกษาการกระเซ็นของน้ำด้วยกล้องจุลทรรศน์ เราจะวัดขนาด ปริมาตร มวลของพวกมัน

ในแนวทางจุลทรรศน์ เรายังสนใจมิติ ปริมาตร มวล และพลังงานอีกด้วย อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ร่างกาย แต่เป็นอนุภาคที่ประกอบด้วย: โมเลกุล ไอออน และอะตอม นี่คือสิ่งที่ภาพด้านบนเป็นสัญลักษณ์ แต่ไม่ควรคิดว่าโมเลกุล ไอออน และอะตอมสามารถมองเห็นได้ผ่านแว่นขยาย ภาพวาดนี้เป็นเพียงอติพจน์ทางศิลปะ อนุภาคเหล่านี้สามารถมองเห็นได้ด้วยความช่วยเหลือของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบพิเศษที่เรียกว่า

MKT ไม่ได้เป็นทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์เสมอไป กำเนิดก่อนยุคของเรา ทฤษฎีโมเลกุล (หรือที่เรียกกันก่อนหน้านี้ว่า อะตอม) ยังคงเป็นเพียงสมมติฐานที่สะดวกมากว่าสองพันปี! และในศตวรรษที่ XX เท่านั้นที่กลายเป็นทฤษฎีทางกายภาพที่เต็มเปี่ยม นี่คือวิธีที่นักฟิสิกส์ชื่อดัง E. Rutherford พูดเกี่ยวกับเรื่องนี้:

“ไม่ใช่นักฟิสิกส์หรือนักเคมีคนเดียวที่สามารถปิดตาของเขาถึงบทบาทอันยิ่งใหญ่ที่สมมติฐานอะตอมมีบทบาทในวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน ... ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 ความคิดของมันได้แทรกซึมเข้าไปในฟิสิกส์และเคมีในวงกว้างมาก ความคิดเกี่ยวกับอะตอมเป็นรูปธรรมมากขึ้นเรื่อย ๆ ... ความเรียบง่ายและประโยชน์ของมุมมองอะตอมในการอธิบายปรากฏการณ์ที่หลากหลายที่สุดของฟิสิกส์และเคมีตามธรรมชาติทำให้อำนาจของทฤษฎีนี้ในสายตาของนักวิทยาศาสตร์มีแนวโน้มที่จะพิจารณา สมมติฐานปรมาณูไม่ได้เป็นสมมติฐานการทำงานที่มีประโยชน์อีกต่อไป ซึ่งเป็นเรื่องยากมากที่จะหาหลักฐานโดยตรงและน่าเชื่อถือ แต่เป็นหนึ่งในข้อเท็จจริงที่มั่นคงของธรรมชาติ

แต่ก็ไม่ขาดแคลนนักวิทยาศาสตร์และนักปรัชญาที่ชี้ให้เห็นความไร้เหตุผลของทฤษฎีนี้ ซึ่งอย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้ถูกสร้างขึ้นมากมาย เราสามารถเห็นด้วยกับประโยชน์ของแนวคิดเรื่องโมเลกุลในการอธิบายการทดลองเหล่านี้ แต่เรามีความมั่นใจแค่ไหนว่าอะตอมมีอยู่จริงและไม่ใช่แค่เรื่องแต่งซึ่งเป็นผลจากจินตนาการของเรา? อย่างไรก็ตาม ต้องบอกว่าการขาดหลักฐานโดยตรงนี้ไม่ได้สั่นคลอนศรัทธาของนักวิทยาศาตร์ส่วนใหญ่ในโครงสร้างแบบละเอียดของสสารแต่อย่างใด

การปฏิเสธทฤษฎีปรมาณูไม่เคยมีส่วนร่วมและจะไม่นำไปสู่การค้นพบข้อเท็จจริงใหม่ ข้อได้เปรียบที่ยิ่งใหญ่ของทฤษฎีอะตอมคือมันทำให้เรามีความคิดที่เป็นรูปธรรมที่จับต้องได้ซึ่งไม่เพียง แต่ทำหน้าที่อธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ เท่านั้น แต่ยังให้บริการมหาศาลแก่เราในฐานะสมมติฐานที่ใช้งานได้

มีสองวิธีในการศึกษาคุณสมบัติของสาร: โมเลกุลจลนพลศาสตร์และอุณหพลศาสตร์

ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลตีความคุณสมบัติของวัตถุที่สังเกตได้โดยตรงในการทดลอง (ความดัน อุณหภูมิ ฯลฯ) เป็นผลรวมของการกระทำของโมเลกุล ในขณะเดียวกันเธอก็ใช้ วิธีการทางสถิติโดยไม่สนใจการเคลื่อนไหวของโมเลกุลแต่ละตัว แต่เฉพาะในค่าเฉลี่ยที่กำหนดลักษณะของการเคลื่อนที่ของอนุภาคจำนวนมาก ดังนั้นชื่ออื่น - ฟิสิกส์เชิงสถิติ

อุณหพลศาสตร์ศึกษาคุณสมบัติระดับมหภาคของร่างกายโดยไม่สนใจภาพจุลภาค อุณหพลศาสตร์มีพื้นฐานมาจากกฎพื้นฐานหลายข้อ (เรียกว่าหลักการของอุณหพลศาสตร์) ซึ่งตั้งขึ้นบนพื้นฐานของการสรุปข้อเท็จจริงการทดลองชุดใหญ่ อุณหพลศาสตร์และทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลช่วยเสริมซึ่งกันและกัน

คำนิยาม

อะตอม -อนุภาคที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีที่กำหนด อะตอมทั้งหมดที่มีอยู่ในธรรมชาติแสดงอยู่ในระบบธาตุตามธาตุของเมนเดเลเยฟ

อะตอมรวมกันเป็นโมเลกุลโดย พันธะเคมีขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้า จำนวนอะตอมในโมเลกุลอาจแตกต่างกันได้ โมเลกุลสามารถประกอบด้วยหนึ่ง สอง สาม หรือแม้แต่หลายร้อยอะตอม

คำนิยาม

โมเลกุล- อนุภาคที่เล็กที่สุดของสารที่กำหนดซึ่งมีคุณสมบัติทางเคมี

ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุล- หลักคำสอนของโครงสร้างและคุณสมบัติของสสารตามแนวคิดของการมีอยู่ของอะตอมและโมเลกุล

ผู้ก่อตั้งทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลคือ M.V. Lomonosov (1711-1765) ผู้กำหนดบทบัญญัติหลักและนำไปใช้เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ทางความร้อนต่างๆ

ข้อกำหนดพื้นฐานของทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุล

บทบัญญัติหลักของ ICT:

1. ร่างกายทั้งหมดในธรรมชาติประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุด (อะตอมและโมเลกุล)
2. อนุภาคอยู่ในการเคลื่อนที่แบบโกลาหลอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเรียกว่าความร้อน
3. อนุภาคมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน: แรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างอนุภาคซึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างอนุภาค

ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลได้รับการยืนยันจากปรากฏการณ์มากมาย

การผสมของของเหลวต่างๆ การละลายของของแข็งในของเหลว อธิบายได้จากการผสมของโมเลกุลหลายชนิด ในกรณีนี้ ปริมาตรของส่วนผสมอาจแตกต่างจากปริมาตรรวมของส่วนประกอบที่เป็นส่วนประกอบ มันพูดเกี่ยวกับอะไร ขนาดแตกต่างกันสารประกอบโมเลกุล

คำนิยาม

การแพร่กระจาย- ปรากฏการณ์ของการแทรกซึมของสารที่อยู่ติดกันตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป

การแพร่กระจายจะดำเนินไปอย่างเข้มข้นที่สุดในก๊าซ การแพร่กระจายของกลิ่นเกิดจากการฟุ้งกระจาย การแพร่กระจายบ่งชี้ว่าโมเลกุลมีการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายอย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ ปรากฏการณ์การแพร่กระจายบ่งชี้ว่ามีช่องว่างระหว่างโมเลกุล เช่น สสารไม่ต่อเนื่องกัน

คำนิยาม

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน- การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคขนาดเล็กที่สุดที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซ

ปรากฏการณ์นี้พบครั้งแรกโดยนักพฤกษศาสตร์ชาวอังกฤษ อาร์ บราวน์ ในปี พ.ศ. 2370 ขณะสังเกตละอองเกสรดอกไม้ที่ลอยอยู่ในน้ำผ่านกล้องจุลทรรศน์ เขาเห็นว่าละอองเรณูแต่ละอนุภาคเคลื่อนที่แบบสุ่มอย่างรวดเร็ว โดยเคลื่อนที่ในระยะทางที่กำหนด อันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของแต่ละบุคคล อนุภาคละอองเรณูแต่ละอันจึงเคลื่อนที่ไปตามวิถีซิกแซก (รูปที่ 1a)

รูปที่ 1 การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน: ก) เส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคแต่ละอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในของเหลว b) การถ่ายโอนโมเมนตัมโดยโมเลกุลของของเหลวไปยังอนุภาคแขวนลอย

การวิจัยต่อไป การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนในของเหลวต่าง ๆ และอนุภาคของแข็งต่าง ๆ แสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่นี้ยิ่งรุนแรงขึ้น ขนาดอนุภาคยิ่งเล็กลง และอุณหภูมิของการทดลองก็จะยิ่งสูงขึ้น การเคลื่อนไหวนี้ไม่เคยหยุดนิ่งและไม่ขึ้นอยู่กับสาเหตุภายนอกใดๆ

R. Brown ไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนสร้างขึ้นโดย A. Einstein ในปี 1905 และได้รับการยืนยันการทดลองในการทดลองของนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส J. Perrin (1900-1911)

โมเลกุลของของเหลวที่เคลื่อนที่ไม่เป็นระเบียบตลอดเวลาเมื่อชนกับอนุภาคแขวนลอย จะถ่ายโอนแรงกระตุ้นบางอย่างไปยังมัน (รูปที่ 1, b) ในกรณีของอนุภาคขนาดใหญ่ จำนวนโมเลกุลที่ตกกระทบจากทุกด้านจะมีจำนวนมาก ผลกระทบของอนุภาคจะถูกชดเชยในแต่ละช่วงเวลา และอนุภาคนั้นจะไม่เคลื่อนที่ หากขนาดอนุภาคมีขนาดเล็กมาก ผลกระทบของโมเลกุลจะไม่ได้รับการชดเชย - ในอีกด้านหนึ่ง โมเลกุลจำนวนมากสามารถชนมันได้มากกว่าอีกอันหนึ่ง ซึ่งเป็นผลมาจากการที่อนุภาคจะเริ่มเคลื่อนที่ มันเป็นการเคลื่อนไหวอย่างแม่นยำภายใต้อิทธิพลของผลกระทบแบบสุ่มของโมเลกุลที่อนุภาคบราวเนียนทำ แม้ว่าอนุภาคบราวเนียนจะมีขนาดใหญ่กว่ามวลของโมเลกุลแต่ละโมเลกุลหลายพันล้านเท่าและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำมาก (เมื่อเทียบกับความเร็วของโมเลกุล) การเคลื่อนที่ของอนุภาคเหล่านี้ยังสามารถสังเกตได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่างที่ 1

ตัวอย่างที่ 2

ทฤษฎีโมเลกุล-จลนศาสตร์
สาขาหนึ่งของฟิสิกส์โมเลกุลที่พิจารณาคุณสมบัติหลายอย่างของสสารตามแนวคิดของการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วของอะตอมและโมเลกุลจำนวนมหาศาลที่ประกอบกันเป็นสสารเหล่านี้ ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลไม่ได้มุ่งเน้นไปที่ความแตกต่างระหว่างอะตอมและโมเลกุลแต่ละประเภท แต่เน้นที่ลักษณะทั่วไปที่มีอยู่ในพฤติกรรมของพวกมัน แม้แต่นักปรัชญาชาวกรีกโบราณซึ่งเป็นคนแรกที่แสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับอะตอมก็ยังเชื่อว่าอะตอมมีการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง D. Bernoulli พยายามวิเคราะห์เชิงปริมาณของการเคลื่อนไหวนี้ในปี 1738 การสนับสนุนพื้นฐานในการพัฒนาทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลเกิดขึ้นในช่วงปี 1850 ถึง 1900 โดย R. Clausius ในเยอรมนี, L. Boltzmann ในออสเตรียและ J. Maxwell ในประเทศอังกฤษ. นักฟิสิกส์กลุ่มเดียวกันนี้วางรากฐานของกลศาสตร์สถิติ ซึ่งเป็นระเบียบวินัยที่เป็นนามธรรมมากกว่าที่ศึกษาเรื่องเดียวกันกับทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุล แต่ไม่มีการสร้างรายละเอียด ดังนั้นจึงมีแบบจำลองทั่วไปน้อยกว่า วิธีการทางสถิติที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับชื่อของนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน J. Gibbs ซึ่งถือเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งกลศาสตร์สถิติ แนวคิดการปฏิวัติยังได้รับการแนะนำในวิทยาศาสตร์นี้โดย M. Planck และ A. Einstein ในช่วงกลางทศวรรษที่ 1920 ในที่สุด กลศาสตร์แบบคลาสสิกก็ได้หลีกทางให้กับกลศาสตร์ควอนตัมแบบใหม่ เป็นแรงผลักดันให้เกิดการพัฒนากลศาสตร์ทางสถิติซึ่งดำเนินมาจนถึงทุกวันนี้
ทฤษฎีโมเลกุล-จลนศาสตร์ของความร้อน
เป็นที่ทราบกันดีว่าร่างกายที่ร้อนขึ้น เมื่อเย็นลง ให้ความร้อนส่วนหนึ่งแก่ร่างกายที่เย็นกว่า จนถึงศตวรรษที่ 19 เชื่อกันว่าความร้อนเป็นของเหลว (แคลอรี่) ชนิดหนึ่งที่ไหลจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่ง หนึ่งในความสำเร็จหลักของฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 19 กลายเป็นว่าความร้อนเริ่มถูกพิจารณาอย่างง่าย ๆ ว่าเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่ง กล่าวคือ พลังงานจลน์ของอะตอมและโมเลกุล แนวคิดนี้ใช้กับสสารทั้งหมด - ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ อนุภาคของร่างกายที่ร้อนจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าวัตถุที่เย็น ตัวอย่างเช่น รังสีของดวงอาทิตย์ทำให้ผิวหนังของเราร้อนขึ้น ทำให้โมเลกุลของมันสั่นเร็วขึ้น และเรารู้สึกว่าการสั่นสะเทือนเหล่านี้เป็นความร้อน ในลมหนาว โมเลกุลของอากาศเมื่อชนกับโมเลกุลบนผิวกายของเรา จะดึงเอาพลังงานจากพวกมัน และเราจะรู้สึกหนาว ในทุกกรณีเมื่อความร้อนถูกถ่ายโอนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง การเคลื่อนที่ของอนุภาคในวัตถุแรกจะช้าลง ในวินาทีนั้นมันจะเร่งขึ้น และพลังงานของอนุภาคของวัตถุที่สองจะเพิ่มขึ้นเท่ากับพลังงานของวัตถุ อนุภาคของครั้งแรกลดลง ปรากฏการณ์ทางความร้อนหลายอย่างที่เราคุ้นเคยสามารถอธิบายได้โดยตรงโดยใช้ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุล เนื่องจากความร้อนเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่แบบสุ่มของโมเลกุลจึงเป็นไปได้ที่จะเพิ่มอุณหภูมิของร่างกาย (เพิ่มความร้อนสำรองในนั้น) ไม่ได้เกิดจากการให้ความร้อน แต่ตัวอย่างเช่นการใช้แรงเสียดทาน: โมเลกุลของพื้นผิวที่ถูชนกัน อื่น ๆ เริ่มเคลื่อนไหวอย่างเข้มข้นมากขึ้น และอุณหภูมิของพื้นผิวก็สูงขึ้น ด้วยเหตุผลเดียวกัน เหล็กชิ้นหนึ่งจะร้อนขึ้นเมื่อทุบด้วยค้อน ปรากฏการณ์ทางความร้อนอีกประการหนึ่งคือความดันของก๊าซที่เพิ่มขึ้นเมื่อถูกความร้อน เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นความเร็วของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลจะเพิ่มขึ้นพวกมันจะชนผนังของภาชนะที่มีก๊าซอยู่บ่อยขึ้นและแรงขึ้นซึ่งแสดงออกด้วยแรงดันที่เพิ่มขึ้น การระเหยของของเหลวอย่างค่อยเป็นค่อยไปนั้นอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าโมเลกุลของพวกมันผ่านไปในอากาศทีละโมเลกุล ในขณะที่โมเลกุลที่เร็วที่สุดจะหายไปก่อน และโมเลกุลที่เหลือจะมีพลังงานน้อยกว่าโดยเฉลี่ย นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมเมื่อของเหลวระเหยออกจากพื้นผิวที่เปียก ของเหลวจึงเย็นลง เครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่สร้างขึ้นจากทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลทำให้สามารถวิเคราะห์ผลกระทบเหล่านี้และผลอื่นๆ อีกมากมายตามสมการการเคลื่อนที่ของโมเลกุลและ บทบัญญัติทั่วไปทฤษฎีความน่าจะเป็น สมมติว่าเรายกลูกบอลยางขึ้นสูงระดับหนึ่งแล้วปล่อยออกจากมือ ลูกบอลจะกระทบพื้นแล้วกระดอนหลายครั้ง แต่ละครั้งจะมีความสูงต่ำกว่าเดิม เนื่องจากเมื่อกระทบ พลังงานจลน์บางส่วนจะเปลี่ยนเป็นความร้อน ผลกระทบดังกล่าวเรียกว่ายืดหยุ่นบางส่วน ชิ้นส่วนของตะกั่วจะไม่กระเด็นออกจากพื้นเลย - ในการระเบิดครั้งแรก พลังงานจลน์ทั้งหมดของมันจะเปลี่ยนเป็นความร้อน และอุณหภูมิของชิ้นส่วนของตะกั่วและพื้นจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ผลกระทบดังกล่าวเรียกว่าไม่ยืดหยุ่นอย่างแน่นอน ผลกระทบที่พลังงานจลน์ทั้งหมดของร่างกายถูกสงวนไว้โดยไม่เปลี่ยนเป็นความร้อนเรียกว่ายืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์ ในก๊าซเมื่ออะตอมและโมเลกุลชนกันจะมีการแลกเปลี่ยนความเร็วเท่านั้น (เราไม่พิจารณาในกรณีนี้เมื่ออนุภาคของก๊าซมีปฏิสัมพันธ์ - เข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีซึ่งเป็นผลมาจากการชนกัน) พลังงานจลน์ทั้งหมดของอะตอมและโมเลกุลทั้งชุดไม่สามารถแปลงเป็นความร้อนได้เนื่องจากเป็นอยู่แล้ว การเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องของอะตอมและโมเลกุลของสสารเรียกว่าการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ในของเหลวและของแข็ง ภาพจะซับซ้อนกว่า: นอกจากพลังงานจลน์แล้ว ยังจำเป็นต้องคำนึงถึงพลังงานศักย์ของการปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคด้วย
การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนในอากาศถ้าอากาศเย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำมาก มันจะกลายเป็นของเหลว ในขณะที่ปริมาตรของของเหลวที่เกิดขึ้นจะมีขนาดเล็กมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อทำให้อากาศในบรรยากาศเป็นของเหลว 1200 cm3 จะได้อากาศเหลว 2 cm3 สมมติฐานหลักของทฤษฎีอะตอมคือขนาดของอะตอมและโมเลกุลแทบไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อสถานะมวลรวมของสสารเปลี่ยนไป ดังนั้นในอากาศในบรรยากาศ โมเลกุลต้องอยู่ห่างจากกันซึ่งมากกว่าในของเหลว แท้จริงแล้วจากอากาศในชั้นบรรยากาศ 1,200 cm3 พื้นที่ว่างมากกว่า 1,198 cm3 ถูกครอบครอง โมเลกุลของอากาศจะเคลื่อนที่แบบสุ่มในช่องว่างนี้ด้วยความเร็วสูงมาก ชนกันตลอดเวลาเหมือนลูกบิลเลียด
ความดันของก๊าซหรือไอน้ำให้เราพิจารณาภาชนะทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า ซึ่งหน่วยปริมาตรประกอบด้วยโมเลกุลของก๊าซ n โมเลกุล แต่ละโมเลกุลมีมวล m เราจะสนใจเฉพาะโมเลกุลเหล่านั้นที่ชนผนังด้านหนึ่งของเรือ ให้เราเลือกแกน x เพื่อให้ตั้งฉากกับผนังนี้ และพิจารณาโมเลกุลที่มีองค์ประกอบความเร็ว v ตามแกนที่เลือกเท่ากับ vx เมื่อโมเลกุลชนผนังหลอดเลือด โมเมนตัมในทิศทางของแกน x จะเปลี่ยนไป -2mvx ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน โมเมนตัมที่ถ่ายโอนไปยังผนังจะเท่ากัน แสดงให้เห็นว่าหากโมเลกุลทั้งหมดเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน ดังนั้น (1/2) โมเลกุล nvx จะชนกับผนังหน่วยพื้นที่ 1 c ในการดูสิ่งนี้ ให้เราพิจารณาชั้นขอบเขตของก๊าซใกล้กับผนังด้านหนึ่งที่เต็มไปด้วยโมเลกุลที่มีค่า v และ vx เท่ากัน (รูปที่ 1) สมมติว่าความหนาของชั้นนี้มีขนาดเล็กมากจนโมเลกุลส่วนใหญ่ผ่านไปได้โดยไม่ชนกัน โมเลกุล A จะถึงผนังในเวลา t = l /vx; เมื่อถึงเวลานี้ ครึ่งหนึ่งของโมเลกุลจากชั้นขอบเขตจะชนกับผนัง (อีกครึ่งหนึ่งเคลื่อนออกจากผนัง) จำนวนของพวกเขาถูกกำหนดโดยความหนาแน่นของก๊าซและปริมาตรของชั้นขอบเขตที่มีพื้นที่ A และความหนา ล.: N = (1/2) nAl จากนั้นจำนวนโมเลกุลที่ชนพื้นที่เดียวใน 1 วินาทีจะเท่ากับ N/At = (1/2) nvx และโมเมนตัมทั้งหมดที่ถ่ายโอนไปยังพื้นที่นี้ใน 1 วินาทีจะเท่ากับ (1/2) nvx ×2mvx = nmvx2 ในความเป็นจริง องค์ประกอบ vx ไม่เหมือนกันสำหรับโมเลกุลต่างๆ ดังนั้นค่าของ vx2 ควรถูกแทนที่ด้วยค่าเฉลี่ยของมัน

และ">

. หากโมเลกุลเคลื่อนที่แบบสุ่ม ค่าเฉลี่ยของ vx ทั้งหมดจะเท่ากับค่าเฉลี่ยของ vy และ vz ดังนั้น

และ

โดยที่ค่าเฉลี่ยของ v2 สำหรับโมเลกุลทั้งหมด ผลกระทบของโมเลกุลต่อผนังตามมาอย่างรวดเร็วจนลำดับของแรงกระตุ้นที่ส่งผ่านถูกรับรู้เป็นความดันคงที่ P ค่าของ P สามารถพบได้ถ้าเราจำได้ว่าความดันคือแรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่ และแรง ในทางกลับกัน โมเมนตัมความเร็วจะเปลี่ยนไป ดังนั้น P จึงเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมต่อหน่วยพื้นที่ นั่นคือ

เราจะได้ความสัมพันธ์เดียวกัน ถ้าแทนที่จะพิจารณาการเคลื่อนที่แบบสุ่มของโมเลกุลในทุกทิศทาง เราพิจารณาการเคลื่อนที่ของหนึ่งในหกของจำนวนของพวกมันในแนวตั้งฉากกับแต่ละด้านของหกหน้าของรูปทรงสี่เหลี่ยม โดยถือว่าแต่ละโมเลกุลมี พลังงานจลน์
กฎของบอยล์ - Mariotteในสูตร (1) n หมายถึงจำนวนโมเลกุลทั้งหมด แต่เป็นจำนวนโมเลกุลต่อหน่วยปริมาตร หากจำนวนโมเลกุลเท่ากันอยู่ในปริมาตรครึ่งหนึ่ง (โดยไม่เปลี่ยนอุณหภูมิ) ค่าของ n จะเพิ่มเป็นสองเท่าและความดันจะเพิ่มเป็นสองเท่า ถ้า v2 ไม่ขึ้นอยู่กับความหนาแน่น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ที่อุณหภูมิคงที่ ความดันของก๊าซจะแปรผกผันกับปริมาตรของมัน นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ อาร์. บอยล์ และนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส อี. มาริออตต์ ได้ทำการทดลองเมื่อ แรงกดดันต่ำข้อความนี้เป็นจริงสำหรับก๊าซใดๆ ดังนั้น กฎ Boyle-Mariotte สามารถอธิบายได้โดยการตั้งสมมติฐานที่สมเหตุสมผลว่า ที่ความดันต่ำ ความเร็วของโมเลกุลไม่ได้ขึ้นอยู่กับ n
กฎของดาลตันหากมีก๊าซผสมอยู่ในภาชนะ เช่น มีหลายอย่าง พันธุ์ที่แตกต่างกันโมเลกุลแล้วโมเมนตัมที่ส่งไปยังผนังโดยโมเลกุลแต่ละชนิดไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่ามีโมเลกุลชนิดอื่นอยู่หรือไม่ ดังนั้น ตามทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุล ความดันของส่วนผสมของก๊าซในอุดมคติตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปจะเท่ากับผลรวมของความดันที่ก๊าซแต่ละชนิดจะสร้างขึ้นหากก๊าซนั้นครอบครองปริมาตรทั้งหมด นี่คือกฎของดาลตันซึ่งขึ้นอยู่กับส่วนผสมของก๊าซที่ความดันต่ำ
ความเร็วของโมเลกุลสูตร (1) ทำให้สามารถประมาณความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลก๊าซได้ ดังนั้น ความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเลจะอยู่ที่ประมาณ 106 dynes/cm2 (0.1 MPa) และมวลของอากาศ 1 cm3 คือ 0.0013 g เมื่อแทนค่าเหล่านี้ลงในสูตร (1) จะได้ค่าที่สูงมากสำหรับ ความเร็วของโมเลกุล:

ที่ระดับความสูงซึ่งชั้นบรรยากาศหายากมาก โมเลกุลของอากาศสามารถเดินทางได้ไกลมากต่อวินาทีโดยไม่ชนกัน ที่พื้นผิวโลก เห็นภาพที่แตกต่างกัน: เป็นเวลา 1 วินาที แต่ละโมเลกุลจะชนกับโมเลกุลอื่นโดยเฉลี่ยประมาณ 800 ล้านครั้ง มันอธิบายถึงวิถีการเคลื่อนที่ที่แตกหักอย่างมาก และในกรณีที่ไม่มีกระแสอากาศ หลังจากผ่านไปหนึ่งวินาที มีโอกาสสูงที่มันจะอยู่ห่างจากตำแหน่งเดิมของวินาทีนี้เพียง 1-2 ซม.
กฎของอาโวกาโดรดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว อากาศที่อุณหภูมิห้องมีความหนาแน่นประมาณ 0.0013 g/cm3 และสร้างความดัน 106 dynes/cm2 ก๊าซไฮโดรเจนซึ่งมีความหนาแน่นเพียง 0.00008 g/cm3 ที่อุณหภูมิห้อง ยังสร้างความดันได้ 106 dynes/cm2 ตามสูตร (1) ความดันแก๊สแปรผันตามจำนวนโมเลกุลต่อหน่วยปริมาตรและพลังงานจลน์เฉลี่ย ในปี พ.ศ. 2354 นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี A. Avogadro ได้ตั้งสมมติฐานโดยพิจารณาจากปริมาตรที่เท่ากันของก๊าซต่างๆ ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน หมายเลขเดียวกันโมเลกุล หากสมมติฐานนี้ถูกต้อง จากความสัมพันธ์ (1) เราพบว่าสำหรับก๊าซต่างๆ ภายใต้เงื่อนไขข้างต้น ค่า (1/2) mv2 จะเท่ากัน นั่นคือ พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลจะเท่ากัน ข้อสรุปนี้สอดคล้องกับทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุล
(ดูความร้อนด้วย)
มวลของไฮโดรเจน 1 ซม. 3 นั้นน้อย ไม่ใช่เพราะมีโมเลกุลน้อยกว่าในปริมาตรที่กำหนด แต่เนื่องจากมวลของโมเลกุลไฮโดรเจนแต่ละโมเลกุลน้อยกว่ามวลของโมเลกุลของไนโตรเจนหรือออกซิเจนหลายเท่า ซึ่งเป็นก๊าซที่ประกอบกันเป็นอากาศ . มีการพิสูจน์แล้วว่าจำนวนโมเลกุลของก๊าซใด ๆ ใน 1 cm3 ที่ 0 ° C และความดันบรรยากาศปกติคือ 2.687 * 10 19
เส้นทางฟรีเฉลี่ยปริมาณที่สำคัญในทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุลของก๊าซคือระยะทางเฉลี่ยที่โมเลกุลหนึ่งเคลื่อนที่ระหว่างการชนกันสองครั้ง ค่านี้เรียกว่าเส้นทางที่ไม่มีค่าเฉลี่ยและแสดงด้วย L สามารถคำนวณได้ดังนี้ ลองนึกภาพว่าโมเลกุลเป็นทรงกลมรัศมี r; จากนั้นจุดศูนย์กลางระหว่างการชนจะอยู่ห่างจากกัน 2r ในการเคลื่อนที่ โมเลกุลจะ "ชน" โมเลกุลทั้งหมดในพื้นที่หน้าตัด p (2r)2 และเคลื่อนที่เป็นระยะทาง L โมเลกุลทั้งหมดจะ "ชน" โมเลกุลทั้งหมดในปริมาตร 4pr2L เพื่อให้จำนวนโมเลกุลเฉลี่ยของมัน จะชนกับจะเป็น 4pr2Ln ในการหา L คุณต้องใช้ตัวเลขนี้เท่ากับ 1 ดังนั้น

จากความสัมพันธ์นี้ เราสามารถหารัศมีของโมเลกุลได้โดยตรงหากทราบค่า L (สามารถหาได้จากการวัดความหนืดของก๊าซ ดูด้านล่าง) ค่าของ r จะอยู่ในลำดับ 10-8 ซม. ซึ่งสอดคล้องกับผลการวัดอื่นๆ และ L สำหรับก๊าซทั่วไปภายใต้สภาวะปกติคือเส้นผ่านศูนย์กลางโมเลกุลตั้งแต่ 100 ถึง 200 ตารางแสดงค่า L สำหรับอากาศในชั้นบรรยากาศที่ระดับความสูงต่างๆ เหนือระดับน้ำทะเล
การกระจายความเร็วของโมเลกุล
ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 ไม่เพียงแต่การพัฒนาทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการก่อตัวของอุณหพลศาสตร์ด้วย แนวคิดบางอย่างของอุณหพลศาสตร์กลายเป็นประโยชน์สำหรับทฤษฎีโมเลกุลและจลนพลศาสตร์เช่นกัน ประการแรกคืออุณหภูมิสัมบูรณ์และเอนโทรปี
สมดุลความร้อนในอุณหพลศาสตร์ คุณสมบัติของสารได้รับการพิจารณาเป็นหลักบนพื้นฐานของแนวคิดที่ว่าระบบใด ๆ มีแนวโน้มที่จะอยู่ในสถานะที่มีเอนโทรปีสูงสุดและไม่สามารถออกจากสถานะนั้นได้โดยธรรมชาติ การเป็นตัวแทนดังกล่าวสอดคล้องกับคำอธิบายทางจลนศาสตร์ของโมเลกุลของพฤติกรรมของก๊าซ ชุดของโมเลกุลของก๊าซมีพลังงานรวมที่แน่นอน ซึ่งสามารถกระจายระหว่างโมเลกุลแต่ละตัวได้หลายวิธี ไม่ว่าการกระจายพลังงานเริ่มต้นจะเป็นแบบใดก็ตาม ถ้าปล่อยก๊าซไว้กับตัวเอง พลังงานจะถูกแจกจ่ายอย่างรวดเร็ว และก๊าซจะเข้าสู่สภาวะสมดุลทางความร้อน กล่าวคือ สู่สถานะที่มีเอนโทรปีสูงสุด ให้เราพยายามกำหนดข้อความนี้ให้เข้มงวดยิ่งขึ้น ให้ N (E) dE เป็นจำนวนโมเลกุลของก๊าซที่มีพลังงานจลน์ในช่วงตั้งแต่ E ถึง E + dE โดยไม่คำนึงถึงการกระจายพลังงานเริ่มแรก ก๊าซที่ปล่อยไว้เองจะเข้าสู่สภาวะสมดุลทางความร้อนโดยมีฟังก์ชันลักษณะเฉพาะ N (E) ที่สอดคล้องกับอุณหภูมิคงที่ แทนที่จะพิจารณาพลังงาน เราสามารถพิจารณาความเร็วของโมเลกุลได้ ให้ f (v) dv แสดงจำนวนโมเลกุลที่มีความเร็วตั้งแต่ v ถึง v + dv ในก๊าซ จะมีโมเลกุลจำนวนหนึ่งที่มีความเร็วอยู่ในช่วงตั้งแต่ v ถึง v + dv เสมอ หลังจากนั้นครู่หนึ่ง โมเลกุลเหล่านี้จะไม่มีความเร็วอยู่ในช่วงที่กำหนด เนื่องจากพวกมันจะเกิดการชนกันอย่างน้อยหนึ่งครั้ง แต่ในทางกลับกัน โมเลกุลอื่นๆ ที่มีความเร็วก่อนหน้านี้แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจาก v จะได้รับความเร็วตั้งแต่ v ถึง v + dv อันเป็นผลมาจากการชน หากก๊าซอยู่ในสถานะหยุดนิ่ง จำนวนโมเลกุลที่ได้รับความเร็ว v หลังจากระยะเวลานานพอสมควร จะเท่ากับจำนวนโมเลกุลที่ความเร็วจะหยุดเท่ากับ v เฉพาะในกรณีนี้เท่านั้นที่ฟังก์ชัน n (v) จะคงที่ได้ แน่นอนว่าตัวเลขนี้ขึ้นอยู่กับการกระจายความเร็วของโมเลกุลของก๊าซ รูปแบบของการกระจายในก๊าซที่เหลือนี้กำหนดโดย Maxwell: หากมี N โมเลกุลทั้งหมด จำนวนของโมเลกุลที่มีความเร็วในช่วงเวลาจาก v ถึง v + dv จะเท่ากับ

โดยที่พารามิเตอร์ b ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ (ดูด้านล่าง)
กฎของแก๊สค่าประมาณข้างต้นสำหรับความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลอากาศที่ระดับน้ำทะเลสอดคล้องกับอุณหภูมิปกติ ตามทฤษฎีจลนศาสตร์ของโมเลกุล พลังงานจลน์ของโมเลกุลของก๊าซทั้งหมดคือความร้อนที่มี ที่อุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นและก๊าซมีความร้อนมากขึ้น จากสูตร (1) ถ้าปริมาตรของแก๊สคงที่ ความดันของแก๊สจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น นี่คือลักษณะการทำงานของก๊าซทั้งหมด (กฎของชาร์ลส์) ถ้าให้ความร้อนที่ความดันคงที่แก๊สจะขยายตัว เป็นที่ทราบกันดีว่าที่ความดันต่ำสำหรับก๊าซปริมาตร V ที่มี N โมเลกุล ผลคูณของความดันและปริมาตรจะเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิสัมบูรณ์:

โดยที่ T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ k คือค่าคงที่ มันเป็นไปตามกฎของ Avogadro ว่าค่าของ k จะเท่ากันสำหรับก๊าซทั้งหมด เรียกว่าค่าคงที่ Boltzmann และมีค่าเท่ากับ 1.38 * 10 -14 erg / K การเปรียบเทียบนิพจน์ (1) และ (3) เป็นเรื่องง่ายที่จะเห็นว่าพลังงานรวมของการเคลื่อนที่เชิงแปลของโมเลกุล N เท่ากับ (1/2) Nmv2 เป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิสัมบูรณ์และเท่ากับ

ในทางกลับกัน การอินทิเกรตนิพจน์ (2) เราพบว่าพลังงานรวมของการเคลื่อนที่เชิงแปลของ N โมเลกุลคือ 3Nm /4b 2 ดังนั้น

โดยการแทนที่นิพจน์ (5) ในสูตร (2) เราสามารถหาการกระจายตัวของโมเลกุลเหนือความเร็วที่อุณหภูมิใดๆ T. โมเลกุลของก๊าซทั่วไปหลายชนิด เช่น ไนโตรเจนและออกซิเจน (องค์ประกอบหลักของอากาศในชั้นบรรยากาศ) ประกอบด้วยสององค์ประกอบ อะตอมและโมเลกุลของพวกมันมีรูปร่างคล้ายดัมเบล แต่ละโมเลกุลดังกล่าวไม่เพียงเคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยความเร็วสูงเท่านั้น แต่ยังหมุนเร็วมากอีกด้วย นอกจากพลังงานของการเคลื่อนที่แบบแปลแล้ว N โมเลกุลยังมีพลังงาน การเคลื่อนที่แบบหมุน NkT ดังนั้นพลังงานทั้งหมดของ N โมเลกุลคือ (5/2) NkT
การตรวจสอบการทดลองของการแจกแจง Maxwell ในปี พ.ศ. 2472 การหาการกระจายความเร็วของโมเลกุลก๊าซได้โดยตรง ถ้ารูเล็กๆ ถูกสร้างขึ้นที่ผนังของภาชนะที่มีก๊าซหรือไอระเหยที่อุณหภูมิหนึ่ง หรือมีรอยกรีดแคบๆ โมเลกุลจะบินผ่านพวกมันออกไป แต่ละตัวด้วยความเร็วของมันเอง หากรูนำไปสู่เรือลำอื่นซึ่งอากาศถูกสูบออกโมเลกุลส่วนใหญ่จะมีเวลาบินได้ไกลหลายเซนติเมตรก่อนที่จะเกิดการชนกันครั้งแรก ในการตั้งค่าที่แสดงแผนผังในรูป 2 มีภาชนะ V ที่บรรจุก๊าซหรือไอระเหย ซึ่งโมเลกุลของสารดังกล่าวหลุดรอดผ่านช่อง S1 S2 และ S3 - ช่องในแผ่นขวาง W1 และ W2 เป็นดิสก์สองแผ่นที่ติดตั้งบนเพลาทั่วไป R สล็อตเรเดียลหลายช่องถูกตัดลงในแต่ละดิสก์ รอยแยก S3 ตั้งอยู่ในลักษณะที่หากไม่มีดิสก์ โมเลกุลที่บินออกจากรอยแยก S1 และผ่านรอยแยก S2 จะบินผ่านรอยแยก S3 และชนเครื่องตรวจจับ D หากหนึ่งในรอยแยกของ ดิสก์ W1 อยู่ตรงข้ามกับสลิต S2 จากนั้นโมเลกุลผ่านสล็อต S1 และ S2 พวกมันก็จะผ่านสล็อตของดิสก์ W1 ด้วย แต่ดิสก์ W2 จะถูกหน่วงเวลาซึ่งติดตั้งบนเพลา R เพื่อให้สล็อตทำ ไม่ตรงกับสล็อตของดิสก์ W1 ถ้าจานหมุนอยู่กับที่หรือหมุนช้าๆ โมเลกุลจากเรือ V จะไม่เข้าเครื่องตรวจจับ D. ถ้าจานหมุนเร็วด้วยความเร็วคงที่ โมเลกุลบางส่วนจะผ่านจานทั้งสอง ไม่ยากที่จะเข้าใจว่าโมเลกุลใดจะสามารถเอาชนะสิ่งกีดขวางทั้งสองได้ - สิ่งกีดขวางที่จะเอาชนะระยะทางจาก W1 ถึง W2 ในเวลาที่จำเป็นในการเลื่อนช่องใส่ดิสก์ W2 ไปยังมุมที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น หากสล็อตทั้งหมดของดิสก์ W2 หมุน 2° เทียบกับสล็อตของดิสก์ W1 ดังนั้น โมเลกุลที่บินจาก W1 ไปยัง W2 ระหว่างการหมุนของดิสก์ W2 2° จะเข้าสู่เครื่องตรวจจับ การเปลี่ยนความถี่ของการหมุนของเพลาด้วยดิสก์ทำให้สามารถวัดความเร็วของโมเลกุลที่ปล่อยออกมาจากเรือ V และวางแผนการกระจายได้ การกระจายที่ได้รับจึงเห็นด้วยกับ Maxwell's

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนในศตวรรษที่ 19 วิธีการวัดความเร็วโมเลกุลที่อธิบายไว้ข้างต้นยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด แต่มีปรากฏการณ์หนึ่งที่ทำให้สามารถสังเกตการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่องของโมเลกุลในของเหลวได้ นักพฤกษศาสตร์ชาวสก็อต อาร์. บราวน์ (ในการถอดความก่อนหน้านี้ - บราวน์) ในปี พ.ศ. 2370 สังเกตภายใต้กล้องจุลทรรศน์ว่าอนุภาคของละอองเรณูที่ลอยอยู่ในน้ำพบว่าพวกมันไม่หยุดนิ่ง แต่เคลื่อนไหวตลอดเวลาราวกับว่ามีบางอย่างผลักพวกมันเข้าไป หนึ่งแล้วไปอีกด้านหนึ่ง ต่อมามีผู้เสนอว่าการเคลื่อนที่แบบโกลาหลของอนุภาคเกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่องของโมเลกุลของของเหลว และการศึกษาการเคลื่อนที่อย่างแม่นยำที่เรียกว่า บราวเนียน (Brownian) ได้ยืนยันความถูกต้องของสมมติฐานนี้
(ดูการเคลื่อนไหวของบราวเนียน)
ความจุความร้อนของก๊าซหรือไอน้ำปริมาณความร้อนที่จำเป็นต่อการเพิ่มอุณหภูมิของสารจำนวนหนึ่งขึ้น 1 องศาเรียกว่า ความจุความร้อน จากสูตร (4) ถ้าอุณหภูมิของแก๊สเพิ่มขึ้นที่ปริมาตรคงที่จาก T ถึง T + 1 พลังงานของการเคลื่อนที่แบบแปลจะเพิ่มขึ้น (3/2) Nk พลังงานความร้อนทั้งหมดของก๊าซเชิงเดี่ยวคือพลังงานของการเคลื่อนที่เชิงแปล ดังนั้นความจุความร้อนของก๊าซดังกล่าวที่ปริมาตรคงที่คือ Cv = (3/2) Nk และความจุความร้อนต่อโมเลกุลคือ (3/2) k ความจุความร้อนของโมเลกุลไดอะตอม N N ซึ่งมีพลังงานของการเคลื่อนที่แบบหมุนด้วย kT เท่ากับ Cv = (5/2) Nk และหนึ่งโมเลกุลคิดเป็น (5/2) k ในทั้งสองกรณี ความจุความร้อนไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และพลังงานความร้อนจะได้รับจาก

แรงดันไอน้ำอิ่มตัวหากคุณเทน้ำเล็กน้อยลงในภาชนะปิดขนาดใหญ่ที่มีอากาศแต่ไม่มีไอน้ำ น้ำบางส่วนจะระเหยทันทีและอนุภาคของไอจะเริ่มกระจายไปทั่วภาชนะ หากปริมาตรของภาชนะมีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับปริมาตรน้ำ การระเหยจะดำเนินต่อไปจนกว่าน้ำทั้งหมดจะกลายเป็นไอน้ำ หากเทน้ำเพียงพอ น้ำจะไม่ระเหยทั้งหมด อัตราการระเหยจะค่อยๆ ลดลง และในที่สุดกระบวนการจะหยุดลง - ปริมาตรของภาชนะจะอิ่มตัวด้วยไอน้ำ จากมุมมองของทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุล อธิบายได้ดังนี้ ในบางครั้ง โมเลกุลของน้ำอย่างน้อยหนึ่งโมเลกุลที่อยู่ในตัวกลางที่เป็นของเหลวใกล้พื้นผิวจะได้รับพลังงานเพียงพอจากโมเลกุลข้างเคียงเพื่อหนีเข้าไปในตัวกลางที่เป็นไอระเหยของอากาศ ที่นี่มันชนกับโมเลกุลอื่นที่คล้ายคลึงกันและกับโมเลกุลของอากาศ ซึ่งอธิบายเส้นทางการเคลื่อนที่แบบซิกแซกที่ซับซ้อนมาก ในการเคลื่อนที่ มันยังชนผนังเรือและผิวน้ำด้วย อย่างไรก็ตามมันสามารถกระเด็นออกจากน้ำหรือถูกดูดซับได้ ในขณะที่น้ำกำลังระเหย จำนวนโมเลกุลไอที่จับได้จากตัวกลางไอ-อากาศยังคงน้อยกว่าจำนวนโมเลกุลที่ออกจากน้ำ แต่มีช่วงเวลาที่ปริมาณเหล่านี้เท่ากัน - มีการสร้างสมดุลและความดันไอถึงจุดอิ่มตัว ในสถานะนี้ จำนวนโมเลกุลต่อหน่วยปริมาตรไอเหนือของเหลวจะคงที่ (แน่นอน ถ้าอุณหภูมิคงที่) ภาพเดียวกันนี้สังเกตได้จากของแข็ง แต่สำหรับร่างกายส่วนใหญ่ ความดันไอจะสังเกตเห็นได้เฉพาะที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น
การสั่นสะเทือนของอะตอมในร่างกายที่เป็นของแข็งและของเหลว
เมื่อมองภายใต้กล้องจุลทรรศน์ของเจมม่ากรีกหรือโรมันโบราณที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้เป็นอย่างดี เราจะเห็นว่ารายละเอียดของมันยังคงชัดเจนเหมือนกับตอนที่เจมม่าเพิ่งตกทอดจากมือของช่างฝีมือที่ทำมันขึ้นมา เป็นที่ชัดเจนว่าในช่วงเวลาอันยาวนาน มีเพียงไม่กี่อะตอมเท่านั้นที่สามารถ "หลบหนี" จากพื้นผิวของหินที่ใช้ทำอัญมณีได้ มิฉะนั้น รายละเอียดของอัญมณีจะสูญเสียความชัดเจนเมื่อเวลาผ่านไป อะตอมส่วนใหญ่ของวัตถุที่เป็นของแข็งสามารถเคลื่อนที่แบบสั่นได้เมื่อเทียบกับตำแหน่งคงที่บางตำแหน่ง และเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความถี่เฉลี่ยของการสั่นสะเทือนเหล่านี้และแอมพลิจูดจะเพิ่มขึ้นเท่านั้น เมื่อสารเริ่มละลาย พฤติกรรมของโมเลกุลจะคล้ายกับพฤติกรรมของโมเลกุลของเหลว หากอยู่ในวัตถุที่เป็นของแข็ง อนุภาคแต่ละอนุภาคจะแกว่งไปมาในปริมาตรขนาดเล็กซึ่งมีตำแหน่งคงที่ในอวกาศ ดังนั้นในของเหลวปริมาตรนี้จะเคลื่อนที่อย่างช้าๆ และสุ่ม และอนุภาคที่แกว่งไปมาจะเคลื่อนที่ไปด้วย
การนำความร้อนของก๊าซ
ในร่างกายที่มีความร้อนไม่สม่ำเสมอ ความร้อนจะถูกถ่ายเทจากส่วนที่อุ่นกว่าไปยังส่วนที่เย็นกว่า ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการนำความร้อน การใช้ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุล เราสามารถหาอัตราที่ก๊าซนำความร้อนได้ ให้เราพิจารณาก๊าซที่อยู่ในภาชนะสี่เหลี่ยมซึ่งพื้นผิวด้านบนมีอุณหภูมิสูงกว่าด้านล่าง อุณหภูมิของก๊าซในภาชนะจะค่อยๆ ลดลงเมื่อเคลื่อนที่จากชั้นบนไปยังชั้นล่าง - มีการไล่ระดับอุณหภูมิในก๊าซ ให้เราพิจารณาชั้นบาง ๆ ของแก๊ส AB ซึ่งมีอุณหภูมิ T (รูปที่ 3) และชั้นซีดีที่อยู่ติดกันซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าเล็กน้อย T ў ให้ระยะห่างระหว่าง AB และ CD เท่ากับค่าเฉลี่ยของเส้นทางอิสระ L ตามสูตร (4) พลังงานเฉลี่ยของโมเลกุลในชั้น AB จะเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิ T และในชั้น CD จะเป็นสัดส่วนกับ อุณหภูมิ T. ให้เราพิจารณาโมเลกุลจากชั้น AB ที่ชนกับโมเลกุลอื่นในจุด A หลังจากนั้นมันจะเคลื่อนที่โดยไม่ชนกันที่จุด C ด้วยความเป็นไปได้สูงที่มันจะตกลงไปในชั้น CD ด้วยพลังงานที่สอดคล้องกับชั้น AB ในทางกลับกัน โมเลกุลจากชั้น CD จะเคลื่อนที่โดยไม่มีการชนจากจุด D ไปยังจุด B ชั้น AB ที่มีพลังงานสูงกว่าซึ่งสอดคล้องกับชั้น CD ที่มันบินออกไป เป็นที่ชัดเจนว่าระหว่างการชนดังกล่าว พลังงานจะถูกถ่ายโอนจาก CD ไปยัง AB มากกว่าจาก AB ถึง CD - มีการไหลของความร้อนอย่างต่อเนื่องจากชั้นที่อุ่นกว่าไปยังชั้นที่เย็นกว่า ภาพเดียวกัน สังเกตได้สำหรับทุกชั้นในก๊าซ

อัตราการแพร่กระจายความร้อนสามารถคำนวณได้ด้วยความแม่นยำที่ค่อนข้างดี แม้ว่าเราจะละเลยข้อเท็จจริงที่ว่าค่าเฉลี่ยของเส้นทางอิสระของโมเลกุลบางตัวมีค่ามากกว่า ในขณะที่ค่าอื่นมีค่าน้อยกว่าค่าเฉลี่ย พิจารณาระนาบ FG ขนานกับระนาบ AB และ CD และผ่านตรงกลางระหว่างระนาบนั้น (รูปที่ 3) แล้วเลือกพื้นที่หนึ่งหน่วยของระนาบนี้ หากมี n โมเลกุลต่อหน่วยปริมาตรเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเฉลี่ย c ดังนั้นใน 1 วินาที (1/2) nc โมเลกุลจะข้าม FG จากล่างขึ้นบนและถ่ายโอนพลังงาน (1/2) ncE ; จำนวนโมเลกุลเท่ากันจะข้าม FG จากบนลงล่างและถ่ายโอนพลังงาน (1/2) ncEў โดยที่ E และ Еў เป็นพลังงานเฉลี่ยของโมเลกุลที่อุณหภูมิ T และ T" ดังนั้น หากการไหลของโมเลกุลทั้งสองเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับ ระนาบ FG ดังนั้นความแตกต่างของพลังงานที่ถ่ายโอนจะเท่ากับ (1/2) nc (E "- E) แต่โมเลกุลตัดกัน FG ในทุกมุมที่เป็นไปได้ และเพื่อพิจารณาสิ่งนี้ ค่าที่ระบุควรคูณด้วย 2/3 เราได้รับโดยใช้ความสัมพันธ์ (6)

โดยที่ Cv คือความจุความร้อนของ n โมเลกุลที่บรรจุในหน่วยปริมาตร เมื่อย้ายจาก CD ไป AB ซึ่งอยู่ห่างจากกัน L อุณหภูมิจะลดลง (T "- T) และถ้า dT / dz เป็นความชันของอุณหภูมิในทิศทางตั้งฉากกับระนาบ FG แล้ว

แทนที่ความแตกต่างของอุณหภูมิที่แสดงผ่านการไล่ระดับสีลงในสูตร (7) เราพบว่าพลังงานทั้งหมดที่ถ่ายโอนผ่านหน่วยพื้นที่ใน 1 วินาทีเท่ากับ

ค่าของ K อธิบายโดยนิพจน์ K = (1/3)CvcL
เรียกว่าการนำความร้อนของก๊าซ
ความหนืดของก๊าซ
หากคุณวัดความเร็วของแม่น้ำที่ระดับความลึกต่างๆ คุณจะพบว่าใกล้ก้นแม่น้ำ น้ำแทบจะไม่เคลื่อนไหว และยิ่งเข้าใกล้ผิวน้ำมากเท่าไหร่ กระแสน้ำก็จะยิ่งเคลื่อนที่เร็วขึ้นเท่านั้น ดังนั้นในการไหลของแม่น้ำจึงมีการไล่ระดับความเร็วคล้ายกับการไล่ระดับอุณหภูมิที่กล่าวถึงข้างต้น ในเวลาเดียวกันเนื่องจากความหนืดแต่ละชั้นที่สูงขึ้นจะมีชั้นที่อยู่ใกล้เคียงอยู่ข้างใต้ รูปแบบนี้สังเกตได้ไม่เฉพาะในของเหลวเท่านั้น แต่ยังอยู่ในก๊าซด้วย เราจะพยายามหาค่าความหนืดของก๊าซโดยใช้ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุล สมมติว่าก๊าซไหลจากซ้ายไปขวาและอยู่ในชั้นซีดีแนวนอนในรูปที่ 3 ความเร็วการไหลมากกว่าในชั้น AB ซึ่งอยู่ด้านล่าง CD ปล่อยให้ระยะห่างระหว่างระนาบเท่ากับเส้นทางฟรี โมเลกุลของแก๊สจะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วทั่วทั้งปริมาตรตามวิถีโคจรที่วุ่นวาย แต่การเคลื่อนที่ที่วุ่นวายนี้จะถูกทับด้วยการเคลื่อนที่ของแก๊สโดยตรง ให้คุณเป็นความเร็วการไหลของก๊าซในชั้น AB (ในทิศทางจาก A ถึง B) และคุณ" เป็นความเร็วที่สูงขึ้นเล็กน้อยในชั้น CD (ในทิศทางจาก C ถึง D) นอกจากโมเมนตัมเนื่องจาก การเคลื่อนที่แบบสุ่ม โมเลกุลในชั้น AB มีโมเมนตัม mu และในชั้น CD - โดยโมเมนตัม mu โมเลกุลที่ผ่านจาก AB ไปยัง CD โดยไม่มีการชนกันจะถ่ายโอนโมเมนตัม mu ไปยังชั้น CD ซึ่งสอดคล้องกับชั้น AB ในขณะที่อนุภาคตกลงมาจาก CD เข้าไปใน AB ผสมกับโมเลกุลจาก AB และนำโมเมนตัม mu" มาด้วย ดังนั้นโมเมนตัมเท่ากับ

เนื่องจากอัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมเท่ากับแรง เราจึงได้รับนิพจน์สำหรับแรงต่อหน่วยพื้นที่ซึ่งชั้นหนึ่งกระทำกับอีกชั้นหนึ่ง: ชั้นที่ช้ากว่าจะชะลอความเร็วที่เร็วกว่า และในทางกลับกัน การลากโมเมนตัม เลเยอร์ที่ช้าลงพร้อมกับเร่งความเร็ว แรงที่คล้ายกันกระทำระหว่างชั้นที่อยู่ติดกันในปริมาตรทั้งหมดของก๊าซที่ไหล ถ้า du/dz คือความเร็วเกรเดียนต์ของแก๊สในทิศทางตั้งฉากกับ FG แล้ว

ค่า nm ในสูตร (8) คือมวลของก๊าซต่อหน่วยปริมาตร ถ้าเราแสดงปริมาณนี้ด้วย r แรงต่อหน่วยพื้นที่จะเท่ากับ

โดยที่สัมประสิทธิ์ (1/3)rLc คือความหนืดของก๊าซ ข้อสรุปสองประการตามมาจากสองส่วนสุดท้ายของบทความ อย่างแรกคืออัตราส่วนของความหนืดต่อการนำความร้อนคือ r/Cv ประการที่สองตามมาจากการแสดงออกของ L ที่ให้ไว้ก่อนหน้านี้และประกอบด้วยความจริงที่ว่าความหนืดของก๊าซขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้นและไม่ขึ้นอยู่กับความดันและความหนาแน่น ความถูกต้องของข้อสรุปทั้งสองได้รับการยืนยันจากการทดลองด้วยความแม่นยำสูง
ดูสิ่งนี้ด้วย
ความร้อน ;
กลศาสตร์ทางสถิติ
เทอร์โมไดนามิกส์.
วรรณกรรม
Hirschfeld J., Curtiss C., Byrd R. ทฤษฎีโมเลกุลก๊าซและของเหลว M. , 1961 Frenkel Ya.I. ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของของเหลว L. , 1975 Kikoin A.K., Kikoin I.K. ฟิสิกส์โมเลกุล. ม., 2519

สารานุกรมถ่านหิน. - สังคมเปิด. 2000 .

ดูว่า "ทฤษฎีจลนศาสตร์โมเลกุล" คืออะไรในพจนานุกรมอื่น ๆ :

- (เรียกโดยย่อว่า MKT) ทฤษฎีของศตวรรษที่ 19 ซึ่งพิจารณาโครงสร้างของสสาร ซึ่งส่วนใหญ่เป็นก๊าซ จากมุมมองของบทบัญญัติหลักที่ถูกต้องโดยประมาณสามประการ: ร่างกายทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาค: อะตอม โมเลกุล และไอออน; อนุภาคต่อเนื่องกัน ... ... Wikipedia

- (เรียกโดยย่อว่า MKT) ทฤษฎีที่พิจารณาโครงสร้างของสสารจากมุมมองของบทบัญญัติหลักสามประการที่ถูกต้องโดยประมาณ: ร่างกายทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดที่สามารถละเลยได้: อะตอม โมเลกุล และไอออน; อนุภาคต่อเนื่องกัน ... ... Wikipedia

บทบัญญัติหลักของ ICT:

1. สารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุด ได้แก่ โมเลกุล อะตอม หรือไอออน

2. อนุภาคเหล่านี้อยู่ในการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายอย่างต่อเนื่อง ความเร็วที่กำหนดอุณหภูมิของสาร

3. ระหว่างอนุภาคมีแรงดึงดูดและแรงผลักซึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างอนุภาค

แก๊สในอุดมคติคือแก๊สที่มีอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลเล็กน้อย

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างก๊าซในอุดมคติกับของจริงคือ: อนุภาคของก๊าซในอุดมคติคือลูกบอลขนาดเล็กมาก ซึ่งก็คือจุดของวัตถุ ไม่มีแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลระหว่างอนุภาค การชนกันของอนุภาคนั้นยืดหยุ่นได้อย่างแน่นอน ก๊าซจริงคือก๊าซที่ไม่ได้อธิบายไว้ในสมการสถานะของ Clapeyron-Mendeleev สำหรับก๊าซในอุดมคติ การพึ่งพาระหว่างพารามิเตอร์แสดงให้เห็นว่าโมเลกุลในก๊าซจริงมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันและครอบครองปริมาตรที่แน่นอน ในทางปฏิบัติแล้ว สถานะของก๊าซจริงมักจะถูกอธิบายโดยสมการ Mendeleev-Clapeyron

2 พารามิเตอร์สถานะและฟังก์ชัน สมการสถานะของแก๊สในอุดมคติ

ตัวเลือก:

ความดันเกิดจากการทำงานร่วมกันของโมเลกุลของของไหลทำงานกับพื้นผิวและมีค่าเท่ากับแรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่ผิวของร่างกายตามปกติจนถึงส่วนหลัง

อุณหภูมิเป็นปริมาณทางกายภาพที่กำหนดระดับความร้อนของร่างกาย จากมุมมองของแนวคิดเกี่ยวกับจลนพลศาสตร์ของโมเลกุล อุณหภูมิคือการวัดความเข้มของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุล

ปริมาตรเฉพาะ v คือปริมาตรต่อหน่วยมวลของสาร ถ้าเนื้อมวล M เป็นเนื้อเดียวกันมีปริมาตร v ดังนั้นตามนิยาม v= V/M ในระบบ SI หน่วยของปริมาตรเฉพาะคือ 1 ลบ.ม./กก. มีความสัมพันธ์ที่ชัดเจนระหว่างปริมาตรเฉพาะของสารและความหนาแน่น:

หากพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ทั้งหมดคงที่ในเวลาและเท่ากันในทุกจุดของระบบ สถานะดังกล่าวของระบบจะเรียกว่าสมดุล

สำหรับระบบอุณหพลศาสตร์สมดุล มีความสัมพันธ์เชิงฟังก์ชันระหว่างพารามิเตอร์สถานะ ซึ่งเรียกว่าสมการสถานะ

Clapeyron - สมการ Mendeleev

3 ส่วนผสมของก๊าซ น้ำหนักโมเลกุลที่ชัดเจน ค่าคงที่ของแก๊สผสม

ส่วนผสมของแก๊สคือส่วนผสมเชิงกลของแก๊สที่ไม่มีปฏิกิริยาระหว่างกัน ปฏิกิริยาเคมีก๊าซ กฎหลักที่กำหนดพฤติกรรมของส่วนผสมของแก๊สคือกฎของดาลตัน: ความดันรวมของส่วนผสมของแก๊สในอุดมคติเท่ากับผลรวมของความดันบางส่วนขององค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบทั้งหมด ความดันบางส่วน pi คือความดันที่แก๊สจะมี ถ้ามันครอบครองปริมาตรทั้งหมดของส่วนผสมที่อุณหภูมิเดียวกัน ค่าคงที่ของก๊าซของสารผสมหมายถึง: - น้ำหนักโมเลกุลที่ปรากฏ (เฉลี่ย) ของสารผสม ด้วยองค์ประกอบปริมาตรที่มีองค์ประกอบมวล:.- ค่าคงที่ของก๊าซสากล

4 กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์คือกฎของการอนุรักษ์พลังงาน ซึ่งเขียนขึ้นโดยใช้แนวคิดทางอุณหพลศาสตร์ (สูตรเชิงวิเคราะห์: เครื่องจักรเคลื่อนที่ถาวรประเภทที่ 1 เป็นไปไม่ได้):

พลังงาน. ภายใต้พลังงานภายในในอุณหพลศาสตร์ เข้าใจพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ของโมเลกุล พลังงานศักย์ของการโต้ตอบและศูนย์ (พลังงานของการเคลื่อนที่ของอนุภาคภายในโมเลกุลที่ T=0K) พลังงานจลน์ของโมเลกุลเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ ค่าของพลังงานศักย์ขึ้นอยู่กับระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุล และเป็นผลจากปริมาตร V ที่ก๊าซครอบครอง นั่นคือ มันเป็นฟังก์ชันของ V ดังนั้น ภายใน พลังงาน U เป็นหน้าที่ของสถานะของร่างกาย

ความร้อน. พลังงานที่ถ่ายโอนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิเรียกว่าความร้อน ความร้อนสามารถถ่ายโอนผ่านการสัมผัสโดยตรงระหว่างวัตถุ (การนำความร้อน การพาความร้อน) หรือที่ระยะไกล (โดยการแผ่รังสี) และในทุกกรณี กระบวนการนี้จะเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างวัตถุ

งาน. พลังงานที่ถ่ายโอนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งเมื่อปริมาตรของวัตถุเหล่านี้เปลี่ยนแปลงหรือเคลื่อนที่ในอวกาศเรียกว่างาน ด้วยการเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่จำกัด งานต้านแรงดันภายนอกที่เรียกว่า งานขยาย มีค่าเท่ากับ งานเปลี่ยนปริมาตรเทียบเท่ากับพื้นที่ใต้เส้นโค้งกระบวนการในแผนภาพ p, v

พลังงานภายในเป็นคุณสมบัติของระบบเอง ซึ่งเป็นลักษณะสถานะของระบบ ความร้อนและงานเป็นลักษณะพลังงานของกระบวนการโต้ตอบเชิงกลและความร้อนของระบบด้วย สิ่งแวดล้อม. พวกเขากำหนดลักษณะของปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอนไปยังระบบหรือมอบให้ผ่านขอบเขตในกระบวนการบางอย่าง

อะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นแก๊สจะเคลื่อนที่อย่างอิสระในระยะห่างที่มากจากกันและกันและโต้ตอบกันก็ต่อเมื่อมันชนกันเท่านั้น (ต่อไปนี้ เพื่อไม่ให้พูดซ้ำ ผมจะกล่าวเฉพาะ "โมเลกุล" ซึ่งมีความหมายตามนี้ว่า "โมเลกุล หรืออะตอม"). ดังนั้น โมเลกุลจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงเฉพาะในช่วงเวลาระหว่างการชนกันเท่านั้น โดยจะเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่หลังจากการโต้ตอบดังกล่าวกับโมเลกุลอื่นในแต่ละครั้ง ความยาวเฉลี่ยของส่วนที่เป็นเส้นตรงของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของก๊าซเรียกว่า เส้นทางฟรีเฉลี่ยยิ่งก๊าซมีความหนาแน่นสูง (และด้วยเหตุนี้ระยะทางเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลก็ยิ่งน้อยลง) เส้นทางอิสระเฉลี่ยระหว่างการชนก็จะยิ่งสั้นลงเท่านั้น

ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 ภาพโครงสร้างอะตอมและโมเลกุลของก๊าซที่ดูเหมือนง่ายเช่นนี้ ด้วยความพยายามของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจำนวนหนึ่ง ได้พัฒนาเป็นทฤษฎีที่ทรงพลังและเป็นสากล ทฤษฎีใหม่ขึ้นอยู่กับแนวคิดของความสัมพันธ์ระหว่างการวัด มหภาคตัวบ่งชี้สถานะของก๊าซ (อุณหภูมิ ความดัน และปริมาตร) ด้วย กล้องจุลทรรศน์ลักษณะ - จำนวน มวล และความเร็วของการเคลื่อนที่ของโมเลกุล เนื่องจากโมเลกุลมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาและมีพลังงานจลน์ จึงเรียกทฤษฎีนี้ ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลก๊าซ

ยกตัวอย่างเช่นความกดดัน ในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง โมเลกุลจะชนกับผนังของเรือ และด้วยการกระแทกแต่ละครั้ง จะส่งแรงกระตุ้นจำนวนหนึ่งไปยังพวกมัน ซึ่งมีขนาดเล็กมากในตัวมันเอง แต่ผลกระทบรวมของโมเลกุลนับล้านๆ กำแพงที่เรามองว่าเป็นแรงกดดัน ตัวอย่างเช่น เมื่อคุณเติมลมยางรถยนต์ คุณได้ย้ายโมเลกุลของอากาศในบรรยากาศภายในปริมาตรปิดของยางนอกเหนือไปจากจำนวนโมเลกุลที่อยู่ในนั้น เป็นผลให้ความเข้มข้นของโมเลกุลภายในยางสูงกว่าภายนอก พวกมันชนผนังบ่อยกว่า แรงดันภายในยางสูงกว่าแรงดันบรรยากาศ และยางจะพองตัวและยืดหยุ่น

ความหมายของทฤษฎีคือ จากเส้นทางอิสระเฉลี่ยของโมเลกุล เราสามารถคำนวณความถี่ของการชนกับผนังของเรือได้ นั่นคือเมื่อมีข้อมูลเกี่ยวกับความเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลจึงเป็นไปได้ที่จะคำนวณลักษณะของก๊าซที่วัดได้โดยตรง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลทำให้เราเชื่อมโยงโดยตรงระหว่างโลกของโมเลกุลและอะตอมและจักรวาลขนาดใหญ่ที่จับต้องได้

เช่นเดียวกับความเข้าใจของอุณหภูมิภายในกรอบของทฤษฎีนี้ ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้นเท่าใดความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลของก๊าซก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ความสัมพันธ์นี้อธิบายได้ด้วยสมการต่อไปนี้:

1/2เอ็มวี 2 = ท

ที่ไหน มคือมวลของโมเลกุลของแก๊ส 1 โมเลกุล วี -ความเร็วเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุล ที -อุณหภูมิของก๊าซ (หน่วยเป็นเคลวิน) และ เคคือค่าคงที่ Boltzmann สมการพื้นฐานของทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลกำหนดความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างลักษณะเฉพาะของโมเลกุลของก๊าซ (ซ้าย) และคุณลักษณะทางมหภาคที่วัดได้ (ขวา) อุณหภูมิของก๊าซจะแปรผันโดยตรงกับกำลังสองของความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุล

ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลยังให้คำตอบที่ค่อนข้างชัดเจนสำหรับคำถามเกี่ยวกับการเบี่ยงเบนของความเร็วของโมเลกุลแต่ละตัวจากค่าเฉลี่ย การชนกันระหว่างโมเลกุลของก๊าซแต่ละครั้งนำไปสู่การกระจายพลังงานระหว่างกัน: โมเลกุลที่เร็วเกินไปจะช้าลง โมเลกุลที่เร่งความเร็วช้าเกินไป ซึ่งนำไปสู่การหาค่าเฉลี่ย ในช่วงเวลาใดก็ตาม การชนดังกล่าวจำนวนนับไม่ถ้วนเกิดขึ้นในแก๊ส อย่างไรก็ตาม ปรากฎว่า ณ อุณหภูมิที่กำหนดของก๊าซในสถานะเสถียร จำนวนโมเลกุลเฉลี่ยด้วยความเร็วที่แน่นอน โวลต์หรือพลังงาน อี,ไม่เปลี่ยนแปลง. สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากจากมุมมองทางสถิติ ความน่าจะเป็นที่โมเลกุลที่มีพลังงาน อีเปลี่ยนพลังงานและเข้าสู่สถานะพลังงานที่คล้ายกันเท่ากับความน่าจะเป็นที่โมเลกุลอื่นจะเข้าสู่สถานะที่มีพลังงาน อีดังนั้นแม้ว่าแต่ละโมเลกุลจะมีพลังงาน อีเป็นระยะๆ เท่านั้น ซึ่งเป็นจำนวนเฉลี่ยของโมเลกุลที่มีพลังงาน อียังคงไม่เปลี่ยนแปลง (เราเห็นสถานการณ์ที่คล้ายกันในสังคมมนุษย์ ไม่มีใครอายุสิบเจ็ดนานเกินหนึ่งปี ขอบคุณพระเจ้า! แต่โดยเฉลี่ยแล้ว เปอร์เซ็นต์ของอายุสิบเจ็ดในชุมชนมนุษย์ที่มั่นคงยังคงเท่าเดิม)

แนวคิดเกี่ยวกับการกระจายตัวเฉลี่ยของโมเลกุลเหนือความเร็วและการกำหนดอย่างเข้มงวดนี้เป็นของ James Clark Maxwell - นักทฤษฎีที่โดดเด่นคนเดียวกันนี้ยังเป็นเจ้าของคำอธิบายที่เข้มงวดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ( ซม.สมการของแม็กซ์เวลล์) เขาเป็นผู้อนุมานการกระจายตัวของโมเลกุลในแง่ของความเร็ว ณ อุณหภูมิที่กำหนด (ดูรูป) โมเลกุลส่วนใหญ่อยู่ในสถานะพลังงานที่ตรงกับจุดสูงสุด การกระจายแมกซ์เวลล์และความเร็วเฉลี่ย อย่างไรก็ตาม อันที่จริง ความเร็วของโมเลกุลจะแปรผันภายในขอบเขตที่ค่อนข้างใหญ่