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Théorie moléculaire cinétique des gaz

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La théorie cinétique des gaz est un modèle scientifique qui explique le comportement physique d'un gaz en tant que mouvement des particules moléculaires qui le composent. Dans ce modèle, les particules sous-microscopiques (atomes ou molécules) qui composent le gaz se déplacent continuellement dans des mouvements aléatoires, se heurtant constamment non seulement les unes aux autres, mais également avec les côtés de tout récipient dans lequel se trouve le gaz. C'est ce mouvement qui entraîne les propriétés physiques du gaz, telles que la chaleur et la pression.

La théorie cinétique des gaz est aussi appelée juste la théorie cinétique, ou la modèle cinétique, ou la modèle moléculaire cinétique. Il peut également être appliqué de nombreuses façons aux fluides et aux gaz. (L'exemple du mouvement brownien, discuté ci-dessous, applique la théorie cinétique aux fluides.)

Histoire de la théorie cinétique

Le philosophe grec Lucrèce était un partisan d'une première forme d'atomisme, bien que celle-ci ait été largement écartée pendant plusieurs siècles au profit d'un modèle physique de gaz construit sur le travail non atomique d'Aristote. Sans une théorie de la matière sous forme de particules minuscules, la théorie cinétique ne s'est pas développée dans ce cadre aristotéléen.

Les travaux de Daniel Bernoulli ont présenté la théorie cinétique à un public européen, avec sa publication de 1738 Hydrodynamica. À l’époque, même des principes tels que la conservation de l’énergie n’étaient pas encore établis et nombre de ses approches n’étaient donc pas largement adoptées. Au cours du siècle suivant, la théorie cinétique est devenue plus largement adoptée par les scientifiques, dans le cadre d’une tendance croissante à l’adoption par les scientifiques de la conception moderne de la matière composée d’atomes.

L'un des facteurs clés de la confirmation expérimentale de la théorie cinétique, et l'atomisme est général, était lié au mouvement brownien. C'est le mouvement d'une minuscule particule en suspension dans un liquide qui, au microscope, semble s'agiter au hasard. Dans un article réputé de 1905, Albert Einstein expliqua le mouvement brownien en termes de collisions aléatoires avec les particules qui composaient le liquide. Cet article est le résultat du travail de thèse de doctorat d'Einstein, où il a créé une formule de diffusion en appliquant des méthodes statistiques au problème. Le physicien polonais Marian Smoluchowski, qui a publié son travail en 1906, a obtenu un résultat similaire. Ensemble, ces applications de la théorie cinétique ont largement contribué à soutenir l'idée selon laquelle les liquides et les gaz (et probablement aussi les solides) sont composés de minuscules particules.

Hypothèses de la théorie moléculaire cinétique

La théorie cinétique repose sur un certain nombre d'hypothèses axées sur le fait de pouvoir parler d'un gaz idéal.

  • Les molécules sont traitées comme des particules ponctuelles. Cela a notamment pour conséquence que leur taille est extrêmement petite par rapport à la distance moyenne entre les particules.
  • Le nombre de molécules (N) est très grande, dans la mesure où il est impossible de suivre le comportement de particules individuelles. Au lieu de cela, des méthodes statistiques sont appliquées pour analyser le comportement du système dans son ensemble.
  • Chaque molécule est traitée comme identique à toute autre molécule. Ils sont interchangeables en termes de leurs différentes propriétés. Cela contribue à nouveau à l’idée que les particules individuelles ne doivent pas être surveillées et que les méthodes statistiques de la théorie sont suffisantes pour arriver à des conclusions et à des prédictions.
  • Les molécules sont en mouvement constant et aléatoire. Ils obéissent aux lois du mouvement de Newton.
  • Les collisions entre les particules, ainsi qu'entre les particules et les parois d'un conteneur de gaz, sont des collisions parfaitement élastiques.
  • Les parois des récipients de gaz sont traitées comme parfaitement rigides, ne bougent pas et sont infiniment massives (par rapport aux particules).

Le résultat de ces hypothèses est que vous avez un gaz dans un conteneur qui se déplace de manière aléatoire dans le conteneur. Lorsque des particules de gaz entrent en collision avec le côté du conteneur, elles rebondissent sur le côté du conteneur dans une collision parfaitement élastique. En d'autres termes, si elles frappent à un angle de 30 degrés, elles rebondiront à 30 degrés. angle. La composante de leur vitesse perpendiculaire au côté du conteneur change de direction mais conserve la même amplitude.

La loi des gaz parfaits

La théorie cinétique des gaz est significative en ce que l'ensemble des hypothèses ci-dessus nous conduit à dériver la loi du gaz idéal, ou l'équation du gaz idéal, qui relie la pression (p), le volume (V) et la température (T), en termes de constante de Boltzmann (k) et le nombre de molécules (N). L'équation des gaz parfaits obtenue est la suivante:

pV = NkT



Commentaires:

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