Teoría cinética molecular básica, ecuaciones y fórmulas

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 05:23

El mundo en el que vivimos es increíblemente hermoso y está lleno de muchos procesos diferentes que marcan el curso de la vida. Todos estos procesos son estudiados por la ciencia familiar: la física. Brinda la oportunidad de tener al menos una idea del origen del universo. En este artículo, consideraremos un concepto como la teoría cinética molecular, sus ecuaciones, tipos y fórmulas. Sin embargo, antes de pasar a un estudio más profundo de estos temas, debe aclararse el significado mismo de la física y las áreas que estudia.

¿Qué es la física?

De hecho, esta es una ciencia muy extensa y, quizás, una de las más fundamentales en la historia de la humanidad. Por ejemplo, si la misma informática se asocia con casi todas las áreas de la actividad humana, ya sea el diseño computacional o la creación de dibujos animados, entonces la física es la vida misma, una descripción de sus procesos y flujos complejos. Tratemos de descifrar su significado, simplificando al máximo la comprensión.

EntoncesAsí, la física es una ciencia que se ocupa del estudio de la energía y la materia, las conexiones entre ellas, la explicación de muchos procesos que ocurren en nuestro vasto universo. La teoría cinético-molecular de la estructura de la materia es solo una pequeña gota en el mar de teorías y ramas de la física.

La energía, que esta ciencia estudia en detalle, se puede representar en una variedad de formas. Por ejemplo, en forma de luz, movimiento, gravedad, radiación, electricidad y muchas otras formas. Nos referiremos en este artículo a la teoría cinética molecular de la estructura de estas formas.

El estudio de la materia nos da una idea de la estructura atómica de la materia. Por cierto, se deduce de la teoría cinética molecular. La ciencia de la estructura de la materia nos permite comprender y encontrar el sentido de nuestra existencia, las razones del surgimiento de la vida y del Universo mismo. Sigamos tratando de estudiar la teoría cinética molecular de la materia.

Primero, se necesita una introducción para comprender completamente la terminología y las conclusiones.

Temas de física

Respondiendo a la pregunta de qué es la teoría cinética molecular, uno no puede dejar de hablar de secciones de la física. Cada uno de estos trata del estudio detallado y la explicación de un área particular de la vida humana. Se clasifican de la siguiente manera:

Mecánica, que se divide en dos secciones más: cinemática y dinámica.
Estático.
Termodinámica.
Sección molecular.
Electrodinámica.
Óptica.
Física de los cuantos y el núcleo atómico.

Hablemos específicamente de molecularfísica, porque se basa en la teoría cinética molecular.

¿Qué es la termodinámica?

En general, la parte molecular y la termodinámica son ramas de la física estrechamente relacionadas, que estudian exclusivamente el componente macroscópico del número total de sistemas físicos. Vale la pena recordar que estas ciencias describen precisamente el estado interno de los cuerpos y sustancias. Por ejemplo, su estado durante el calentamiento, cristalización, vaporización y condensación, a nivel atómico. En otras palabras, la física molecular es la ciencia de los sistemas que consisten en una gran cantidad de partículas: átomos y moléculas.

Fueron estas ciencias las que estudiaron las principales disposiciones de la teoría cinética molecular.

Incluso en el curso del séptimo grado, nos familiarizamos con los conceptos de micro y macro-mundos, sistemas. No estará de más refrescar estos términos en la memoria.

El micromundo, como se desprende de su propio nombre, está formado por partículas elementales. En otras palabras, este es el mundo de las partículas pequeñas. Sus tamaños se miden en el rango de 10^-18 m a 10^-4 m, y el tiempo de su estado real puede alcanzar tanto el infinito como el intervalos desproporcionadamente pequeños, por ejemplo, 10^-20 s.

Macroworld considera cuerpos y sistemas de formas estables, compuestos por muchas partículas elementales. Dichos sistemas son proporcionales a nuestro tamaño humano.

Además, existe un megamundo. Está formado por enormes planetas, galaxias cósmicas y complejos.

Conceptos básicosteoría

Ahora que hemos recapitulado un poco y recordado los términos básicos de la física, podemos pasar directamente al tema principal de este artículo.

La teoría cinética-molecular apareció y fue formulada por primera vez en el siglo XIX. Su esencia radica en el hecho de que describe en detalle la estructura de cualquier sustancia (más a menudo la estructura de los gases que de los cuerpos sólidos y líquidos), basándose en tres disposiciones fundamentales que fueron recogidas de las suposiciones de científicos tan destacados como Robert Hooke, Isaac Newton, Daniel Bernoulli, Mikhail Lomonosov y muchos otros.

Las principales disposiciones de la teoría cinética molecular suenan así:

Absolutamente todas las sustancias (independientemente de si son líquidas, sólidas o gaseosas) tienen una estructura compleja, formada por partículas más pequeñas: moléculas y átomos. Los átomos a veces se denominan "moléculas elementales".
Todas estas partículas elementales están siempre en un estado de movimiento continuo y caótico. Cada uno de nosotros se ha encontrado con una prueba directa de esta proposición, pero lo más probable es que no le haya dado mucha importancia. Por ejemplo, todos vimos en el contexto de los rayos del sol que las partículas de polvo se mueven constantemente en una dirección caótica. Esto se debe al hecho de que los átomos producen empujones mutuos entre sí, impartiéndose constantemente energía cinética entre sí. Este fenómeno se estudió por primera vez en 1827 y recibió el nombre del descubridor: "movimiento browniano".
Todas las partículas elementales están en proceso de interacción continua entre sí conciertas fuerzas que tienen una roca eléctrica.

Vale la pena señalar que otro ejemplo que describe la posición número dos, que también puede aplicarse, por ejemplo, a la teoría cinética molecular de los gases, es la difusión. Lo encontramos en la vida cotidiana y en múltiples pruebas y controles, por lo que es importante tener una idea al respecto.

Primero, considera los siguientes ejemplos:

El médico accidentalmente derramó alcohol de un frasco sobre la mesa. O tal vez se te cayó el frasco de perfume y se esparció por todo el piso.

¿Por qué, en estos dos casos, tanto el olor a alcohol como el olor a perfume llenarán toda la habitación después de un tiempo, y no solo el área donde se derramó el contenido de estas sustancias?

La respuesta es simple: difusión.

Difusión - ¿Qué es? ¿Cómo fluye?

Este es un proceso en el que las partículas que componen una sustancia particular (generalmente un gas) penetran en los vacíos intermoleculares de otra. En nuestros ejemplos anteriores, sucedió lo siguiente: debido al movimiento térmico, es decir, continuo y disociado, las moléculas de alcohol y/o perfume cayeron en los espacios entre las moléculas de aire. Gradualmente, bajo la influencia de la colisión con átomos y moléculas de aire, se esparcen por la habitación. Por cierto, la intensidad de la difusión, es decir, la velocidad de su flujo, depende de la densidad de las sustancias involucradas en la difusión, así como de la energía de movimiento de sus átomos y moléculas, llamada cinética. Cuanto mayor sea la energía cinética, mayor será la velocidad de estas moléculas, respectivamente, y la intensidad.

El proceso de difusión más rápido puede llamarse difusión en gases. Esto se debe al hecho de que el gas no es homogéneo en su composición, lo que significa que los vacíos intermoleculares en los gases ocupan una cantidad significativa de espacio, respectivamente, y el proceso de introducir átomos y moléculas de una sustancia extraña en ellos es más fácil y rápido..

Este proceso es un poco más lento en líquidos. La disolución de terrones de azúcar en una taza de té es solo un ejemplo de la difusión de un sólido en un líquido.

Pero el tiempo más largo es la difusión en cuerpos con una estructura cristalina sólida. Esto es exactamente así, porque la estructura de los sólidos es homogénea y tiene una fuerte red cristalina, en cuyas celdas vibran los átomos del sólido. Por ejemplo, si las superficies de dos barras de metal se limpian bien y luego se ponen en contacto, luego de un tiempo suficientemente largo podremos detectar piezas de un metal en el otro, y viceversa.

Como cualquier otra sección fundamental, la teoría básica de la física se divide en partes separadas: clasificación, tipos, fórmulas, ecuaciones, etc. Por lo tanto, hemos aprendido los conceptos básicos de la teoría cinética molecular. Esto significa que puede proceder con seguridad a la consideración de bloques teóricos individuales.

Teoría cinética molecular de los gases

Es necesario comprender las disposiciones de la teoría de los gases. Como dijimos anteriormente, consideraremos las características macroscópicas de los gases, como la presión y la temperatura. Este esserá necesario más adelante para derivar la ecuación de la teoría cinética-molecular de los gases. Pero las matemáticas, más tarde, y ahora tratemos la teoría y, en consecuencia, la física.

Los científicos han formulado cinco disposiciones de la teoría molecular de los gases, que sirven para comprender el modelo cinético de los gases. Suenan así:

Todos los gases están formados por partículas elementales que no tienen un tamaño determinado, pero sí una masa determinada. En otras palabras, el volumen de estas partículas es mínimo en comparación con la longitud entre ellas.
Los átomos y las moléculas de los gases prácticamente no tienen energía potencial, respectivamente, según la ley, toda energía es igual a la cinética.
Ya nos familiarizamos con esta posición anteriormente: movimiento browniano. Es decir, las partículas de gas están siempre en movimiento continuo y caótico.
Absolutamente todas las colisiones mutuas de partículas de gas, acompañadas del mensaje de velocidad y energía, son completamente elásticas. Esto significa que no hay pérdida de energía ni s altos bruscos en su energía cinética durante una colisión.
En condiciones normales y temperatura constante, la energía promedio del movimiento de partículas de casi todos los gases es la misma.

Podemos reescribir la quinta posición mediante este tipo de ecuación de la teoría cinético-molecular de los gases:

E=1/2mv^2=3/2kT, donde k es la constante de Boltzmann; T - temperatura en Kelvin.

Esta ecuación nos ayuda a entender la relación entre la velocidad de las partículas elementales de gas y su temperatura absoluta. En consecuencia, cuanto mayor sea su valor absolutotemperatura, mayor será su velocidad y energía cinética.

Presión de gas

Tales componentes macroscópicos de la característica, como la presión de los gases, también se pueden explicar utilizando la teoría cinética. Para ello, imaginemos el siguiente ejemplo.

Supongamos que una molécula de algún gas está en una caja, cuya longitud es L. Usemos las disposiciones de la teoría de los gases descrita anteriormente y tengamos en cuenta el hecho de que la esfera molecular se mueve solo a lo largo de la x -eje. Así, podremos observar el proceso de colisión elástica con una de las paredes del recipiente (caja).

La cantidad de movimiento de la colisión en curso, como sabemos, está determinada por la fórmula: p=mv, pero en este caso, esta fórmula adoptará una forma de proyección: p=mv(x).

Dado que consideramos solo la dimensión del eje x, es decir, el eje x, el cambio total en el momento se expresará mediante la fórmula: mv(x) - m(-v(x))=2mv(x).

A continuación, considere la fuerza ejercida por nuestro objeto usando la segunda ley de Newton: F=ma=P/t.

De estas fórmulas expresamos la presión del lado del gas: P=F/a;

Ahora sustituyamos la expresión de fuerza en la fórmula resultante y obtengamos: P=mv(x)^2/L^3.

Después de eso, nuestra fórmula de presión final se puede escribir para el N-ésimo número de moléculas de gas. En otras palabras, se verá así:

P=Nmv(x)^2/V, donde v es la velocidad y V es el volumen.

Ahora intentemos res altar algunas disposiciones básicas sobre la presión del gas:

Se manifiesta a través decolisiones de moléculas con moléculas de las paredes del objeto en el que se encuentra.
La magnitud de la presión es directamente proporcional a la fuerza y la velocidad del impacto de las moléculas en las paredes del recipiente.

Algunas breves conclusiones sobre la teoría

Antes de continuar y considerar la ecuación básica de la teoría cinética molecular, le ofrecemos algunas conclusiones breves de los puntos y la teoría anteriores:

La medida de la energía media de movimiento de sus átomos y moléculas es la temperatura absoluta.
Cuando dos gases diferentes están a la misma temperatura, sus moléculas tienen la misma energía cinética promedio.
La energía de las partículas de gas es directamente proporcional a la velocidad cuadrática media: E=1/2mv^2.
Aunque las moléculas de gas tienen una energía cinética promedio, respectivamente, y una velocidad promedio, las partículas individuales se mueven a diferentes velocidades: algunas rápidas, otras lentas.
Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la velocidad de las moléculas.
Cuántas veces aumentamos la temperatura del gas (por ejemplo, el doble), la energía de movimiento de sus partículas aumenta tantas veces (respectivamente, el doble).

Ecuación básica y fórmulas

La ecuación básica de la teoría cinética molecular permite establecer la relación entre las cantidades del micromundo y, en consecuencia, las cantidades macroscópicas, es decir, medidas.

Uno de los modelos más simples que puede considerar la teoría molecular es el modelo de gas ideal.

Se podría decir esoeste es un tipo de modelo imaginario estudiado por la teoría cinética molecular de un gas ideal, en el que:

las partículas de gas más simples se consideran bolas perfectamente elásticas que interactúan entre sí y con las moléculas de las paredes de cualquier recipiente en un solo caso: una colisión absolutamente elástica;
las fuerzas de atracción dentro del gas están ausentes, o en realidad pueden despreciarse;
elementos de la estructura interna del gas pueden tomarse como puntos materiales, es decir, su volumen también puede despreciarse.

Considerando tal modelo, el físico alemán Rudolf Clausius escribió una fórmula para la presión del gas a través de la relación de parámetros micro y macroscópicos. Parece:

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

Más adelante esta fórmula se denominará ecuación básica de la teoría cinético-molecular de un gas ideal. Se puede presentar en varias formas diferentes. Nuestro deber ahora es mostrar secciones como la física molecular, la teoría cinética molecular y, por lo tanto, sus ecuaciones y tipos completos. Por lo tanto, tiene sentido considerar otras variaciones de la fórmula básica.

Sabemos que la energía promedio que caracteriza el movimiento de las moléculas de gas se puede encontrar usando la fórmula: E=m(0)v^2/2.

En este caso, podemos reemplazar la expresión m(0)v^2 en la fórmula de presión original con la energía cinética promedio. Como resultado de esto, tendremos la oportunidad de componer la ecuación básica de la teoría cinética molecular de los gases de la siguiente forma: p=2/3nE.

Además, todos sabemos que la expresión m(0)n se puede escribir como producto de dos cocientes:

m/NN/V=m/V=ρ.

Después de estas manipulaciones, podemos reescribir nuestra fórmula para la ecuación de la teoría cinética molecular de un gas ideal en una tercera forma diferente:

p=1/3ρv^2.

Bueno, tal vez eso es todo lo que necesitas saber sobre este tema. Solo queda sistematizar los conocimientos adquiridos en forma de breves (y no tan) conclusiones.

Todas las conclusiones generales y fórmulas sobre el tema "Teoría cinética molecular"

Empecemos.

Primero:

La física es una ciencia fundamental incluida en el curso de ciencias naturales, que estudia las propiedades de la materia y la energía, su estructura, los patrones de la naturaleza inorgánica.

Incluye las siguientes secciones:

mecánica (cinemática y dinámica);
estática;
termodinámica;
electrodinámica;
sección molecular;
óptica;
física de los cuantos y el núcleo atómico.

Segundo:

La física de partículas y la termodinámica son ramas estrechamente relacionadas que estudian el componente exclusivamente macroscópico del número total de sistemas físicos, es decir, sistemas compuestos por una gran cantidad de partículas elementales.

Se basan en la teoría cinética molecular.

Tercero:

El quid de la cuestión es este. La teoría cinética molecular describe en detalle la estructura de una sustancia (más a menudo la estructura de los gases que de los sólidos).y cuerpos líquidos), basado en tres suposiciones fundamentales que fueron recopiladas de las suposiciones de científicos prominentes. Entre ellos: Robert Hooke, Isaac Newton, Daniel Bernoulli, Mikhail Lomonosov y muchos otros.

Cuarto:

Tres principios básicos de la teoría cinética molecular:

Todas las sustancias (independientemente de si son líquidas, sólidas o gaseosas) tienen una estructura compleja formada por partículas más pequeñas: moléculas y átomos.
Todas estas partículas simples están en continuo movimiento caótico. Ejemplo: movimiento browniano y difusión.
Todas las moléculas bajo cualquier condición interactúan entre sí con ciertas fuerzas que tienen una roca eléctrica.

Cada una de estas disposiciones de la teoría cinética molecular es una base sólida en el estudio de la estructura de la materia.

Quinto:

Varios puntos principales de la teoría molecular para el modelo de gas:

Todos los gases están formados por partículas elementales que no tienen un tamaño determinado, pero sí una masa determinada. En otras palabras, el volumen de estas partículas es mínimo en comparación con las distancias entre ellas.
Los átomos y las moléculas de los gases prácticamente no tienen energía potencial, respectivamente, su energía total es igual a la cinética.
Ya nos familiarizamos con esta posición anteriormente: movimiento browniano. Es decir, las partículas de gas siempre están en movimiento continuo y aleatorio.
Absolutamente todas las colisiones mutuas de átomos y moléculas de gases, acompañadas del mensaje de velocidad y energía, son completamente elásticas. Este essignifica que no hay pérdida de energía ni s altos bruscos en su energía cinética durante una colisión.
En condiciones normales y temperatura constante, la energía cinética promedio de casi todos los gases es la misma.

Sexto:

Conclusiones de la teoría de los gases:

La temperatura absoluta es una medida de la energía cinética promedio de sus átomos y moléculas.
Cuando dos gases diferentes están a la misma temperatura, sus moléculas tienen la misma energía cinética promedio.
La energía cinética promedio de las partículas de gas es directamente proporcional a la velocidad cuadrática media: E=1/2mv^2.
Aunque las moléculas de gas tienen una energía cinética promedio, respectivamente, y una velocidad promedio, las partículas individuales se mueven a diferentes velocidades: algunas rápidas, otras lentas.
Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la velocidad de las moléculas.
Cuántas veces aumentamos la temperatura del gas (por ejemplo, el doble), la energía cinética promedio de sus partículas también aumenta tantas veces (respectivamente, el doble).
La relación entre la presión de un gas en las paredes del recipiente en el que se encuentra y la intensidad de los impactos de las moléculas en estas paredes es directamente proporcional: a más impactos, mayor presión, y viceversa.

Séptimo:

Un modelo de gas ideal es un modelo en el que se deben cumplir las siguientes condiciones:

Las moléculas de gas pueden y son consideradas como bolas perfectamente elásticas.
Estas bolas pueden interactuar entre sí y con las paredes de cualquierbuque en un solo caso - colisión absolutamente elástica.
Esas fuerzas que describen el empuje mutuo entre los átomos y las moléculas de un gas están ausentes o en realidad pueden despreciarse.
Los átomos y las moléculas se consideran puntos materiales, es decir, su volumen también se puede despreciar.

Octavo:

Demos todas las ecuaciones básicas y mostremos las fórmulas en el tema "Teoría cinética molecular":

p=1/3m(0)nv^2 - la ecuación básica para el modelo de gas ideal, derivada por el físico alemán Rudolf Clausius.

p=2/3nE - la ecuación básica de la teoría cinética molecular de un gas ideal. Derivado de la energía cinética promedio de las moléculas.

р=1/3ρv^2 - la misma ecuación, pero considerada a través de la densidad y la velocidad cuadrática media de las moléculas de gas ideales.

m(0)=M/N(a) - la fórmula para encontrar la masa de una molécula a través del número de Avogadro.

v^2=(v(1)+v(2)+v(3)+…)/N - fórmula para encontrar la velocidad cuadrática media de las moléculas, donde v(1), v(2), v (3) y así sucesivamente - la velocidad de la primera molécula, la segunda, la tercera y así sucesivamente hasta la n-ésima molécula.

n=N/V - fórmula para encontrar la concentración de moléculas, donde N es el número de moléculas en un volumen de gas a un volumen dado V.

E=mv^2/2=3/2kT - fórmulas para encontrar la energía cinética promedio de las moléculas, donde v^2 es la velocidad cuadrática media de las moléculas, k es una constante valor que lleva el nombre de la física austriaca de Ludwig Boltzmann, y T es la temperatura del gas.

p=nkT - fórmula de presión en términos de concentración, constanteBoltzmann y la temperatura absoluta T. De ahí se sigue otra fórmula fundamental, descubierta por el científico ruso Mendeleev y el físico-ingeniero francés Claiperon:

pV=m/MRT, donde R=kN(a) es la constante universal para gases.

Ahora mostremos constantes para diferentes isoprocesos: isobárico, isocórico, isotérmico y adiabático.

pV/T=const - se realiza cuando la masa y la composición del gas son constantes.

рV=const - si la temperatura también es constante.

V/T=const - si la presión del gas es constante.

p/T=const - si el volumen es constante.

Quizás eso es todo lo que necesitas saber sobre este tema.

Hoy nos sumergimos en un campo tan científico como es la física teórica, sus múltiples secciones y bloques. Con más detalle, tocamos un área de la física como la física molecular fundamental y la termodinámica, a saber, la teoría cinética molecular, que, al parecer, no presenta ninguna dificultad en el estudio inicial, pero de hecho tiene muchas trampas.. Expande nuestra comprensión del modelo de gas ideal, que también estudiamos en detalle. Además, vale la pena señalar que también nos familiarizamos con las ecuaciones básicas de la teoría molecular en sus diversas variaciones, y también consideramos todas las fórmulas más necesarias para encontrar ciertas cantidades desconocidas sobre este tema. Esto será especialmente útil cuando se prepare para escribir cualquier prueba, examen y prueba, o para ampliar la perspectiva general y el conocimiento de la física.

Esperamos que este artículo le haya resultado útil y que haya extraído solo la información más necesaria de él, fortaleciendo su conocimiento en pilares de la termodinámica tales como las disposiciones básicas de la teoría cinética molecular.