Εισαγωγή στην Κινητική Θεωρία των Αερίων
Πολλές από τις σημερινές αντιλήψεις μας για την ύλη και τη θερμότητα έχουν την αφετηρία τους στη μελέτη της συμπεριφοράς των αερίων. Για το ζήτημα αυτό εργάστηκαν μερικοί από τους πιο σημαντικούς θεωρητικούς και πειραματικούς φυσικούς κατά τη διάρκεια του 19ου αιώνα και στις αρχές του 20ού.
Το ενδιαφέρον για τη συμπεριφορά των αερίων δεν είναι μόνο θεωρητικό αλλά και έντονα πρακτικό.
Η λειτουργία πολλών μηχανών και εργαλείων βασίζεται σε διαδικασίες στις οποίες συμμετέχουν αέρια:
- Οι μηχανές των αυτοκινήτων.
- Οι ατμοστρόβιλοι των μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (ΔΕΗ).
- Εργαλεία όπως οι αερόσφυρες (κομπρεσέρ) που χρησιμοποιούνται για το τρύπημα της πέτρας.
Οι τρεις καταστάσεις (φάσεις) της ύλης
Οι ιδιότητες κάθε κατάστασης της ύλης ερμηνεύονται από δύο παράγοντες στο επίπεδο των μορίων: τις αποστάσεις μεταξύ των μορίων και τις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ τους.
Αέρια
Στα αέρια οι αποστάσεις μεταξύ των μορίων είναι μεγάλες και οι δυνάμεις μεταξύ τους πολύ μικρές.
Επειδή οι μεταξύ των μορίων δυνάμεις είναι πολύ μικρές, τα αέρια δεν έχουν δικό τους σχήμα ούτε όγκο, αλλά «δανείζονται» το σχήμα και τον όγκο του δοχείου που τα περιέχει.
Τα μόρια των αερίων βρίσκονται σε διαρκή κίνηση και συγκρούονται με τα άλλα μόρια ή με τα τοιχώματα του δοχείου.
- Η κίνηση κάθε μορίου, μεταξύ δύο διαδοχικών συγκρούσεων, είναι ευθύγραμμη ομαλή.
- Η μέση ελεύθερη διαδρομή των μορίων είναι σχετικά μεγάλη.
- Οι ταχύτητες με τις οποίες κινούνται τα μόρια είναι της τάξης των 1600 χιλιομέτρων την ώρα.
Στερεά
Σε αντίθεση με ό,τι συμβαίνει στα αέρια, τα μόρια των στερεών βρίσκονται σε μικρή μεταξύ τους απόσταση και οι μεταξύ τους δυνάμεις είναι ισχυρές.
- Τα στερεά έχουν ορισμένο σχήμα και όγκο, λόγω των ισχυρών δυνάμεων μεταξύ των μορίων.
- Τα μόρια των στερεών δε μετατοπίζονται, αλλά ταλαντώνονται γύρω από ορισμένη θέση.
Υγρά
Τα υγρά αποτελούν την ενδιάμεση κατάσταση. Οι δυνάμεις ανάμεσα στα μόρια είναι σημαντικές, όχι όμως τόσο μεγάλες όσο στα στερεά.
Τα υγρά έχουν ορισμένο όγκο αλλά όχι δικό τους σχήμα.
| Κατάσταση | Αποστάσεις μορίων | Δυνάμεις μορίων | Σχήμα | Όγκος |
|---|---|---|---|---|
| Αέρια | Μεγάλες | Πολύ μικρές | Όχι ορισμένο | Όχι ορισμένος |
| Υγρά | Ενδιάμεσες | Σημαντικές | Όχι ορισμένο | Ορισμένος |
| Στερεά | Μικρές | Ισχυρές | Ορισμένο | Ορισμένος |
Μακροσκοπική και μικροσκοπική μελέτη
Η περιγραφή —και κατ' επέκταση η μελέτη— ενός φαινομένου μπορεί να είναι είτε μακροσκοπική είτε μικροσκοπική.
Μακροσκοπική λέγεται η μελέτη ενός φαινομένου όταν σε αυτή δεν υπεισέρχονται υποθέσεις, θεωρίες ή μεγέθη που έχουν σχέση με τη δομή ή τη σύσταση των αντικειμένων που συμμετέχουν στο φαινόμενο.
Μικροσκοπική λέγεται η μελέτη ενός φαινομένου όταν σε αυτή υπεισέρχονται υποθέσεις, θεωρίες ή μεγέθη που σχετίζονται με τη δομή ή τη σύσταση των αντικειμένων (π.χ. αναφορά σε μόρια, σωματίδια, ταχύτητες και κρούσεις τους).
Αν συνδέσουμε μια λάμπα στους πόλους μιας μπαταρίας, η λάμπα θα ανάψει.
- Μακροσκοπική μελέτη: μετρώνται η τάση, η ένταση του ρεύματος, η θερμοκρασία του σύρματος της λάμπας, τα ποσά θερμότητας που εκπέμπει κ.λπ.
- Μικροσκοπική μελέτη: αναφερόμαστε στο είδος των σωματιδίων που κινούνται μέσα στο σύρμα, στην ταχύτητά τους, στις κρούσεις τους κ.λπ., για να εξηγήσουμε το φαινόμενο.
Στο χώρο των φυσικών επιστημών η μακροσκοπική και η μικροσκοπική μελέτη των φαινομένων συνήθως συνυπάρχουν και αλληλοσυμπληρώνονται.
Ιστορική εξέλιξη: από το μακρόκοσμο στο μικρόκοσμο
Στα αέρια η μακροσκοπική μελέτη προηγήθηκε της μικροσκοπικής.
- Μέσα του 17ου αιώνα: μετά από μακροσκοπική μελέτη, διατυπώθηκαν οι νόμοι των αερίων από τους Boyle, Charles και Gay-Lussac.
- Τέλη του 19ου αιώνα: άρχισε η μικροσκοπική μελέτη των αερίων.
Η μικροσκοπική μελέτη βοήθησε ώστε:
- Να ερμηνεύσουμε τους μακροσκοπικούς νόμους.
- Να εξηγήσουμε τη συμπεριφορά των αερίων (π.χ. με ποιο μηχανισμό το αέριο δημιουργεί πιέσεις).
- Να κατανοήσουμε σε βάθος την αέρια φάση.
Η στατιστική θεώρηση
Επειδή ο αριθμός των μορίων ενός αερίου είναι τεράστιος, είναι αδύνατο να παρακολουθήσουμε την κίνηση κάθε μορίου ξεχωριστά. Έτσι, η μικροσκοπική μελέτη των αερίων στηρίζεται σε μια στατιστική προσέγγιση: αντί να εξετάζουμε ένα μεμονωμένο μόριο, μελετάμε μέσες τιμές μεγεθών που αφορούν το σύνολο των μορίων.
Μεγέθη όπως η ταχύτητα ή η κινητική ενέργεια δεν είναι ίδια για όλα τα μόρια ενός αερίου. Για αυτό στη μικροσκοπική θεώρηση μιλάμε για μέσες τιμές (π.χ. μέση ταχύτητα, μέση κινητική ενέργεια) και όχι για την τιμή ενός συγκεκριμένου μορίου.
Η κίνηση των μορίων ενός αερίου είναι τυχαία (άτακτη): τα μόρια κινούνται προς όλες τις κατευθύνσεις, αλλάζοντας διαρκώς ταχύτητα και διεύθυνση εξαιτίας των συνεχών συγκρούσεων μεταξύ τους και με τα τοιχώματα του δοχείου.
Σκοπός της κινητικής θεωρίας
- Αρχικά 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 αποδίδουμε ορισμένες ιδιότητες, καταφέραμε να εξηγήσουμε τη συμπεριφορά τους μικροσκοπικά.
Σκοπός της κινητικής θεωρίας των αερίων είναι να συνδέσει τη μικροσκοπική εικόνα (μόρια σε διαρκή και τυχαία κίνηση) με τα μακροσκοπικά μεγέθη (πίεση, όγκος, θερμοκρασία), ώστε οι πειραματικοί νόμοι των αερίων να προκύπτουν ως φυσική συνέπεια της κίνησης των μορίων.