Teoria cinética molecular básica, equações e fórmulas

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 05:39

O mundo em que vivemos é inimaginavelmente belo e cheio de muitos processos diferentes que definem o curso da vida. Todos esses processos são estudados pela ciência familiar - física. Ele oferece uma oportunidade de obter pelo menos alguma ideia da origem do universo. Neste artigo, consideraremos um conceito como teoria cinética molecular, suas equações, tipos e fórmulas. No entanto, antes de avançar para um estudo mais profundo dessas questões, você precisa esclarecer para si mesmo o próprio significado da física e as áreas que ela estuda.

O que é física?

Na verdade, esta é uma ciência muito extensa e, talvez, uma das mais fundamentais da história da humanidade. Por exemplo, se a mesma ciência da computação está associada a quase todas as áreas da atividade humana, seja design computacional ou criação de desenhos animados, a física é a própria vida, uma descrição de seus processos e fluxos complexos. Vamos tentar entender o seu significado, simplificando ao máximo o entendimento.

EntãoAssim, a física é uma ciência que trata do estudo da energia e da matéria, das conexões entre elas, da explicação de muitos processos que ocorrem em nosso vasto universo. A teoria molecular-cinética da estrutura da matéria é apenas uma pequena gota no mar de teorias e ramos da física.

Energia, que esta ciência estuda detalhadamente, pode ser representada de várias formas. Por exemplo, na forma de luz, movimento, gravidade, radiação, eletricidade e muitas outras formas. Abordaremos neste artigo a teoria cinética molecular da estrutura dessas formas.

O estudo da matéria nos dá uma ideia da estrutura atômica da matéria. A propósito, decorre da teoria cinética molecular. A ciência da estrutura da matéria permite-nos compreender e encontrar o sentido da nossa existência, as razões do surgimento da vida e do próprio Universo. Vamos ainda tentar estudar a teoria cinética molecular da matéria.

Primeiro, é necessária alguma introdução para entender completamente a terminologia e quaisquer conclusões.

Tópicos de Física

Respondendo à pergunta sobre o que é a teoria cinética molecular, não se pode deixar de falar sobre seções da física. Cada um deles trata do estudo detalhado e explicação de uma área específica da vida humana. Eles são classificados da seguinte forma:

Mecânica, que é dividida em mais duas seções: cinemática e dinâmica.
Estático.
Termodinâmica.
Seção molecular.
Eletrodinâmica.
Óptica.
Física da quantum e do núcleo atômico.

Vamos falar especificamente sobre moléculasfísica, porque se baseia na teoria cinética molecular.

O que é termodinâmica?

Em geral, a parte molecular e a termodinâmica são ramos da física intimamente relacionados, que estudam exclusivamente o componente macroscópico do número total de sistemas físicos. Vale lembrar que essas ciências descrevem precisamente o estado interno dos corpos e das substâncias. Por exemplo, seu estado durante o aquecimento, cristalização, vaporização e condensação, no nível atômico. Em outras palavras, a física molecular é a ciência dos sistemas que consistem em um grande número de partículas: átomos e moléculas.

Foram essas ciências que estudaram as principais disposições da teoria cinética molecular.

Ainda no curso da sétima série, nos familiarizamos com os conceitos de micro e macromundos, sistemas. Não será supérfluo atualizar esses termos na memória.

O micromundo, como podemos ver pelo próprio nome, é composto de partículas elementares. Em outras palavras, este é o mundo das pequenas partículas. Seus tamanhos são medidos na faixa de 10^-18 m a 10^-4 m, e o tempo de seu estado real pode atingir tanto o infinito quanto intervalos desproporcionalmente pequenos, por exemplo, 10^-20 s.

Macroworld considera corpos e sistemas de formas estáveis, consistindo de muitas partículas elementares. Tais sistemas são proporcionais ao nosso tamanho humano.

Além disso, existe um mega mundo. É composto de planetas enormes, galáxias cósmicas e complexos.

Fundamentosteoria

Agora que recapitulamos um pouco e lembramos os termos básicos da física, podemos ir diretamente ao tópico principal deste artigo.

A teoria cinética molecular surgiu e foi formulada pela primeira vez no século XIX. Sua essência reside no fato de que descreve em detalhes a estrutura de qualquer substância (mais frequentemente a estrutura dos gases do que dos corpos sólidos e líquidos), com base em três disposições fundamentais que foram coletadas a partir das suposições de cientistas proeminentes como Robert Hooke, Isaac Newton, Daniel Bernoulli, Mikhail Lomonosov e muitos outros.

As principais disposições da teoria cinética molecular soam assim:

Absolutamente todas as substâncias (independentemente de serem líquidas, sólidas ou gasosas) têm uma estrutura complexa, composta por partículas menores: moléculas e átomos. Átomos às vezes são chamados de "moléculas elementares".
Todas essas partículas elementares estão sempre em estado de movimento contínuo e caótico. Cada um de nós se deparou com uma prova direta dessa proposição, mas, muito provavelmente, não deu muita importância a ela. Por exemplo, todos nós vimos contra o fundo dos raios do sol que as partículas de poeira estão constantemente se movendo em uma direção caótica. Isso se deve ao fato de que os átomos produzem impulsos mútuos entre si, transmitindo constantemente energia cinética uns aos outros. Este fenômeno foi estudado pela primeira vez em 1827, e recebeu o nome do descobridor - "movimento browniano".
Todas as partículas elementares estão em processo de interação contínua entre si comcertas forças que têm uma pedra elétrica.

Vale a pena notar que outro exemplo que descreve a posição número dois, que também pode se aplicar, por exemplo, à teoria cinética molecular dos gases, é a difusão. Encontramos isso na vida cotidiana e em vários testes e controles, por isso é importante ter uma ideia sobre isso.

Primeiro, considere os seguintes exemplos:

O médico acidentalmente derramou álcool de um frasco sobre a mesa. Ou talvez você derrubou seu frasco de perfume e ele se espalhou pelo chão.

Por que, nesses dois casos, tanto o cheiro de álcool quanto o cheiro de perfume encherão toda a sala depois de algum tempo, e não apenas a área onde o conteúdo dessas substâncias foi derramado?

A resposta é simples: difusão.

Difusão - o que é isso? Como flui?

Este é um processo no qual as partículas que compõem uma determinada substância (geralmente um gás) penetram nos vazios intermoleculares de outra. Em nossos exemplos acima, aconteceu o seguinte: devido ao movimento térmico, ou seja, movimento contínuo e dissociado, as moléculas de álcool e/ou perfume caíram nos espaços entre as moléculas de ar. Gradualmente, sob a influência da colisão com átomos e moléculas de ar, eles se espalham pela sala. Aliás, a intensidade da difusão, ou seja, a velocidade de seu fluxo, depende da densidade das substâncias envolvidas na difusão, bem como da energia de movimento de seus átomos e moléculas, denominada cinética. Quanto maior a energia cinética, maior a velocidade dessas moléculas, respectivamente, e a intensidade.

O processo de difusão mais rápido pode ser chamado de difusão em gases. Isso se deve ao fato de o gás não ser homogêneo em sua composição, o que significa que os vazios intermoleculares nos gases ocupam uma quantidade significativa de espaço, respectivamente, e o processo de obtenção de átomos e moléculas de uma substância estranha neles é mais fácil e rápido.

Este processo é um pouco mais lento em líquidos. A dissolução de cubos de açúcar em uma caneca de chá é apenas um exemplo da difusão de um sólido em um líquido.

Mas o tempo mais longo é a difusão em corpos com estrutura cristalina sólida. Isso é exatamente assim, porque a estrutura dos sólidos é homogênea e possui uma rede cristalina forte, nas células das quais os átomos do sólido vibram. Por exemplo, se as superfícies de duas barras de metal forem bem limpas e colocadas em contato uma com a outra, depois de um tempo suficientemente longo, poderemos detectar pedaços de um metal no outro e vice-versa.

Como qualquer outra seção fundamental, a teoria básica da física é dividida em partes separadas: classificação, tipos, fórmulas, equações e assim por diante. Assim, aprendemos os fundamentos da teoria cinética molecular. Isso significa que você pode prosseguir com segurança para a consideração de blocos teóricos individuais.

Teoria cinética molecular dos gases

Há uma necessidade de entender as provisões da teoria dos gases. Como dissemos anteriormente, consideraremos as características macroscópicas dos gases, como pressão e temperatura. Isso éserá necessário mais tarde para derivar a equação da teoria cinética molecular dos gases. Mas matemática - mais tarde, e agora vamos lidar com a teoria e, portanto, com a física.

Os cientistas formularam cinco disposições da teoria molecular dos gases, que servem para compreender o modelo cinético dos gases. Eles soam assim:

Todos os gases são constituídos por partículas elementares que não possuem um determinado tamanho, mas uma certa massa. Em outras palavras, o volume dessas partículas é mínimo comparado ao comprimento entre elas.
Átomos e moléculas de gases praticamente não possuem energia potencial, respectivamente, de acordo com a lei, toda energia é igual a cinética.
Já conhecemos esta posição anteriormente - movimento browniano. Ou seja, as partículas de gás estão sempre em movimento contínuo e caótico.
Absolutamente todas as colisões mútuas de partículas de gás, acompanhadas pela mensagem de velocidade e energia, são completamente elásticas. Isso significa que não há perda de energia ou s altos bruscos em sua energia cinética durante uma colisão.
Em condições normais e temperatura constante, a energia média do movimento das partículas de quase todos os gases é a mesma.

Podemos reescrever a quinta posição através deste tipo de equação da teoria cinética molecular dos gases:

E=1/2mv^2=3/2kT, onde k é a constante de Boltzmann; T - temperatura em Kelvin.

Esta equação nos faz entender a relação entre a velocidade das partículas elementares do gás e sua temperatura absoluta. Assim, quanto maior o seu valor absolutotemperatura, maior a sua velocidade e energia cinética.

Pressão do gás

Tais componentes macroscópicos da característica, como a pressão dos gases, também podem ser explicados usando a teoria cinética. Para fazer isso, vamos imaginar o seguinte exemplo.

Vamos supor que uma molécula de algum gás esteja em uma caixa, cujo comprimento é L. Vamos usar as provisões da teoria do gás descrita acima e levar em conta o fato de que a esfera molecular se move apenas ao longo do x -eixo. Assim, poderemos observar o processo de colisão elástica com uma das paredes do vaso (caixa).

O momento da colisão em curso, como sabemos, é determinado pela fórmula: p=mv, mas neste caso, esta fórmula assumirá a forma de projeção: p=mv(x).

Como consideramos apenas a dimensão do eixo x, ou seja, o eixo x, a variação total da quantidade de movimento será expressa pela fórmula: mv(x) - m(-v(x))=2mv(x).

A seguir, considere a força exercida pelo nosso objeto usando a segunda lei de Newton: F=ma=P/t.

A partir dessas fórmulas expressamos a pressão do lado do gás: P=F/a;

Agora vamos substituir a expressão de força na fórmula resultante e obter: P=mv(x)^2/L^3.

Depois disso, nossa fórmula de pressão final pode ser escrita para o N-ésimo número de moléculas de gás. Em outras palavras, ficará assim:

P=Nmv(x)^2/V, onde v é a velocidade e V é o volume.

Agora vamos tentar destacar algumas disposições básicas sobre a pressão do gás:

Ele se manifesta atravéscolisões de moléculas com moléculas das paredes do objeto em que está localizado.
A magnitude da pressão é diretamente proporcional à força e velocidade de impacto das moléculas nas paredes do recipiente.

Algumas breves conclusões sobre a teoria

Antes de prosseguirmos e considerarmos a equação básica da teoria cinética molecular, oferecemos algumas breves conclusões dos pontos e da teoria acima:

A medida da energia média de movimento de seus átomos e moléculas é a temperatura absoluta.
Quando dois gases diferentes estão na mesma temperatura, suas moléculas têm a mesma energia cinética média.
A energia das partículas de gás é diretamente proporcional à velocidade quadrada média: E=1/2mv^2.
Embora as moléculas de gás tenham uma energia cinética média, respectivamente, e uma velocidade média, as partículas individuais se movem em velocidades diferentes: algumas rápidas, outras lentas.
Quanto maior a temperatura, maior a velocidade das moléculas.
Quantas vezes aumentamos a temperatura do gás (por exemplo, o dobro), a energia de movimento de suas partículas aumenta tantas vezes (respectivamente, o dobro).

Equação e fórmulas básicas

A equação básica da teoria cinética molecular permite estabelecer a relação entre as quantidades do micromundo e, consequentemente, as quantidades macroscópicas, ou seja, medidas.

Um dos modelos mais simples que a teoria molecular pode considerar é o modelo do gás ideal.

Você poderia dizer issoeste é um tipo de modelo imaginário estudado pela teoria cinética molecular de um gás ideal, no qual:

as partículas de gás mais simples são consideradas como bolas perfeitamente elásticas que interagem entre si e com as moléculas das paredes de qualquer vaso em apenas um caso - uma colisão absolutamente elástica;
as forças de atração dentro do gás estão ausentes, ou podem realmente ser desprezadas;
elementos da estrutura interna do gás podem ser tomados como pontos materiais, ou seja, seu volume também pode ser desprezado.

Considerando tal modelo, o físico alemão Rudolf Clausius escreveu uma fórmula para a pressão do gás através da relação de parâmetros micro e macroscópicos. Parece:

p=1/3m(0)nv^2.

Mais tarde esta fórmula será chamada como a equação básica da teoria molecular-cinética de um gás ideal. Pode ser apresentado em várias formas diferentes. Nosso dever agora é mostrar seções como física molecular, teoria cinética molecular e, portanto, suas equações e tipos completos. Portanto, faz sentido considerar outras variações da fórmula básica.

Sabemos que a energia média que caracteriza o movimento das moléculas de gás pode ser encontrada usando a fórmula: E=m(0)v^2/2.

Neste caso, podemos substituir a expressão m(0)v^2 na fórmula de pressão original pela energia cinética média. Como resultado disso, teremos a oportunidade de compor a equação básica da teoria cinética molecular dos gases da seguinte forma: p=2/3nE.

Além disso, todos nós sabemos que a expressão m(0)n pode ser escrita como um produto de dois quocientes:

m/NN/V=m/V=ρ.

Após essas manipulações, podemos reescrever nossa fórmula para a equação da teoria cinética molecular de um gás ideal em uma terceira forma diferente:

p=1/3ρv^2.

Bem, talvez isso seja tudo o que você precisa saber sobre esse assunto. Resta apenas sistematizar o conhecimento adquirido na forma de breves (e nem tanto) conclusões.

Todas as conclusões gerais e fórmulas sobre o tema "Teoria cinética molecular"

Então vamos começar.

Primeiro:

A física é uma ciência fundamental inserida no curso das ciências naturais, que estuda as propriedades da matéria e da energia, sua estrutura, padrões de natureza inorgânica.

Inclui as seguintes seções:

mecânica (cinemática e dinâmica);
estático;
termodinâmica;
eletrodinâmica;
seção molecular;
óptica;
física dos quânticos e do núcleo atômico.

Segundo:

A física de partículas e a termodinâmica são ramos intimamente relacionados que estudam o componente exclusivamente macroscópico do número total de sistemas físicos, ou seja, sistemas constituídos por um grande número de partículas elementares.

Eles são baseados na teoria cinética molecular.

Terceiro:

O cerne da questão é este. A teoria da cinética molecular descreve em detalhes a estrutura de uma substância (mais frequentemente a estrutura dos gases do que dos sólidos).e corpos líquidos), com base em três suposições fundamentais que foram coletadas das suposições de cientistas proeminentes. Entre eles: Robert Hooke, Isaac Newton, Daniel Bernoulli, Mikhail Lomonosov e muitos outros.

Quarto:

Três princípios básicos da teoria cinética molecular:

Todas as substâncias (independentemente de serem líquidas, sólidas ou gasosas) têm uma estrutura complexa composta por partículas menores: moléculas e átomos.
Todas essas partículas simples estão em movimento caótico contínuo. Exemplo: movimento browniano e difusão.
Todas as moléculas sob quaisquer condições interagem umas com as outras com certas forças que possuem uma rocha elétrica.

Cada uma dessas disposições da teoria cinética molecular é uma base sólida no estudo da estrutura da matéria.

Quinto:

Vários pontos principais da teoria molecular para o modelo de gás:

Todos os gases são constituídos por partículas elementares que não possuem um determinado tamanho, mas uma certa massa. Em outras palavras, o volume dessas partículas é mínimo comparado às distâncias entre elas.
Átomos e moléculas de gases praticamente não possuem energia potencial, respectivamente, sua energia total é igual à cinética.
Já conhecemos esta posição anteriormente - movimento browniano. Ou seja, as partículas de gás estão sempre em movimento contínuo e aleatório.
Absolutamente todas as colisões mútuas de átomos e moléculas de gases, acompanhadas pela mensagem de velocidade e energia, são completamente elásticas. Isso ésignifica que não há perda de energia ou s altos bruscos em sua energia cinética durante uma colisão.
Em condições normais e temperatura constante, a energia cinética média de quase todos os gases é a mesma.

Sexto:

Conclusões da teoria dos gases:

Temperatura absoluta é uma medida da energia cinética média de seus átomos e moléculas.
Quando dois gases diferentes estão na mesma temperatura, suas moléculas têm a mesma energia cinética média.
A energia cinética média das partículas de gás é diretamente proporcional à raiz quadrada média da velocidade: E=1/2mv^2.
Embora as moléculas de gás tenham uma energia cinética média, respectivamente, e uma velocidade média, as partículas individuais se movem em velocidades diferentes: algumas rápidas, outras lentas.
Quanto maior a temperatura, maior a velocidade das moléculas.
Quantas vezes aumentamos a temperatura do gás (por exemplo, o dobro), a energia cinética média de suas partículas também aumenta tantas vezes (respectivamente, o dobro).
A relação entre a pressão de um gás nas paredes do recipiente em que está localizado e a intensidade dos impactos das moléculas nessas paredes é diretamente proporcional: quanto mais impactos, maior a pressão e vice-versa.

Sétimo:

Um modelo de gás ideal é um modelo no qual as seguintes condições devem ser atendidas:

As moléculas de gás podem e são consideradas bolas perfeitamente elásticas.
Essas bolas podem interagir entre si e com as paredes de qualquerembarcação em apenas um caso - colisão absolutamente elástica.
Aquelas forças que descrevem o impulso mútuo entre átomos e moléculas de um gás estão ausentes ou podem ser negligenciadas.
Átomos e moléculas são considerados pontos materiais, ou seja, seu volume também pode ser desprezado.

Oitava:

Vamos dar todas as equações básicas e mostrar as fórmulas no tópico "Teoria Molecular-cinética":

p=1/3m(0)nv^2 - a equação básica para o modelo de gás ideal, derivada pelo físico alemão Rudolf Clausius.

p=2/3nE - a equação básica da teoria molecular-cinética de um gás ideal. Derivado da energia cinética média das moléculas.

р=1/3ρv^2 - a mesma equação, mas considerada através da densidade e da velocidade quadrática média das moléculas do gás ideal.

m(0)=M/N(a) - a fórmula para encontrar a massa de uma molécula através do número de Avogadro.

v^2=(v(1)+v(2)+v(3)+…)/N - fórmula para encontrar a velocidade quadrada média das moléculas, onde v(1), v(2), v (3) e assim por diante - a velocidade da primeira molécula, da segunda, da terceira e assim por diante até a enésima molécula.

n=N/V - fórmula para encontrar a concentração de moléculas, onde N é o número de moléculas em um volume de gás para um determinado volume V.

E=mv^2/2=3/2kT - fórmulas para encontrar a energia cinética média das moléculas, onde v^2 é a raiz quadrada média da velocidade das moléculas, k é uma constante valor nomeado após o austríaco a física de Ludwig Boltzmann, e T é a temperatura do gás.

p=nkT - fórmula de pressão em termos de concentração, constanteBoltzmann e a temperatura absoluta T. Daí segue outra fórmula fundamental, descoberta pelo cientista russo Mendeleev e pelo engenheiro-físico francês Claiperon:

pV=m/MRT, onde R=kN(a) é a constante universal para gases.

Agora vamos mostrar constantes para diferentes processos isobáricos: isobárico, isocórico, isotérmico e adiabático.

pV/T=const - realizado quando a massa e a composição do gás são constantes.

рV=const - se a temperatura também for constante.

V/T=const - se a pressão do gás for constante.

p/T=const - se o volume for constante.

Talvez seja tudo o que você precisa saber sobre este assunto.

Hoje mergulhamos em um campo tão científico como a física teórica, suas múltiplas seções e blocos. Mais detalhadamente, tocamos em uma área da física como física molecular fundamental e termodinâmica, ou seja, teoria cinética molecular, que, ao que parece, não apresenta dificuldades no estudo inicial, mas na verdade tem muitas armadilhas. Ele expande nossa compreensão do modelo de gás ideal, que também estudamos em detalhes. Além disso, vale a pena notar que também nos familiarizamos com as equações básicas da teoria molecular em suas várias variações e também consideramos todas as fórmulas mais necessárias para encontrar certas incógnitas neste tópico. Isso será especialmente útil na preparação para escrever quaisquer testes, exames e testes, ou para expandir a visão geral e o conhecimento da física.

Esperamos que este artigo tenha sido útil para você, e que você tenha extraído dele apenas as informações mais necessárias, fortalecendo seu conhecimento em pilares da termodinâmica como as disposições básicas da teoria cinética molecular.