분자 운동 이론 : 역사, 가정 및 예 - 화학 - 2026

분자 운동 이론이 추구 하나 하는 미시적 관점에서 가스의 실험 관찰을 설명합니다. 즉, 기체 입자의 특성과 거동을 유체로서 기체의 물리적 특성과 연관 시키려고합니다. 현미경에서 거시적 인 것을 설명하십시오.

가스는 그 특성 때문에 과학자들에게 항상 관심을 가져 왔습니다. 그것들은 그들이 위치한 컨테이너의 전체 부피를 차지하며, 최소한의 저항에 반대하는 내용물없이 완전히 압축 될 수 있습니다. 온도가 상승하면 용기가 팽창하기 시작하고 심지어 깨질 수도 있습니다.

액화와 거리가 멀거나 가까운 조건의 기체 입자. 출처 : Olivier Cleynen 및 사용자 : Sharayanan

이러한 속성과 행동의 대부분은 이상 기체 법칙에 요약되어 있습니다. 그러나 그들은 가스를 우주에 흩어져있는 수백만 입자의 집합체가 아니라 전체로 간주합니다. 또한 압력, 부피 및 온도 데이터를 기반으로 이러한 입자가 어떻게 움직이는 지에 대한 추가 정보를 제공하지 않습니다.

따라서 분자 운동 이론 (TCM)은이를 이동 구체 (상단 이미지)로 시각화 할 것을 제안합니다. 이 구는 서로 및 벽과 임의로 충돌하며 선형 궤적을 유지합니다. 그러나 온도가 감소하고 압력이 증가하면 구의 궤적이 구부러집니다.

TCM에 따르면 가스는 이미지의 첫 번째 프레임에있는 구체처럼 동작해야합니다. 그러나 그들을 식히고 압력을 증가시킴으로써 그들의 행동은 이상적이지 않습니다. 그런 다음 액화를 겪는 실제 기체가되어 액상으로 들어갑니다.

이러한 조건 하에서 구 사이의 상호 작용은 속도가 순간적으로 느려지는 지점까지 더 중요해집니다. 액화에 가까울수록 궤적이 더 구부러지고 (오른쪽에 삽입 됨) 충돌의 에너지가 줄어 듭니다.

역사

다니엘 베르누이

로마 철학자 Lucretius는 원자라고 더 잘 불리는이 구체의 아이디어를 이미 고려했습니다. 가스가 아니라 단단하고 정적 인 물체를 위해서 요. 다른 한편으로, 1738 년 Daniel Bernoulli는 모든 방향으로 움직이는 무질서한 구체로 상상함으로써 기체와 액체에 원자 비전을 적용했습니다.

그러나 그의 작업은 당시 물리학 법칙을 위반했습니다. 몸은 영원히 움직일 수 없었기 때문에 일련의 원자와 분자가 에너지를 잃지 않고 서로 충돌 할 것이라고 생각할 수 없었습니다. 즉, 탄성 충돌의 존재가 불가능했습니다.

루돌프 클라우스

한 세기 후, 다른 저자들은 기체 입자가 한 방향으로 만 이동하는 모델로 TCM을 강화했습니다. 그러나 Rudolf Clausius는 그의 결과를 수집하고 Boyle, Charles, Dalton 및 Avogadro가 보여주는 이상 기체 법칙을 설명하기 위해 TCM의보다 완전한 모델을 구성했습니다.

James Clerk Maxwell과 Ludwig Boltzmann

1859 년에 James Clerk Maxwell은 기체 입자가 주어진 온도에서 일정 범위의 속도를 나타내며 이들의 집합은 평균 분자 속도로 고려할 수 있다고 말했습니다.

그런 다음 1871 년에 Ludwig Boltzmann은 기존 아이디어를 엔트로피와 연결했으며, 가스가 열역학적으로 항상 균일하고 자발적인 방식으로 가능한 한 많은 공간을 차지하는 경향이 있습니다.

분자 운동 이론의 가정

입자에서 나오는 가스를 고려하려면 특정 가정이나 가정이 충족되는 모델이 필요합니다. 거시적 및 실험적 관찰을 (가능한 한 충실하게) 예측하고 설명 할 수 있어야한다고 논리적으로 가정합니다. 즉, TCM 가정이 언급되고 설명됩니다.

기체 입자의 부피는 무시할 수 있습니다.

기체 입자로 채워진 용기에서 이들은 모든 모서리에서 분산되어 서로 멀어집니다. 액화없이 용기의 특정 지점에 모두 모일 수 있다면 용기 부피에서 무시할 수있는 부분 만 차지하는 것으로 관찰됩니다.

이는 수백만 개의 기체 입자를 포함하더라도 컨테이너가 실제로 가득 찬 것보다 더 비어 있음을 의미합니다 (체적-공극 비율이 1보다 훨씬 작습니다). 그러므로 장벽이 허용한다면, 그것과 그 안의 가스는 갑자기 압축 될 수 있습니다. 결국 입자는 부피와 마찬가지로 매우 작기 때문입니다.

용기에있는 가스의 체적-공극 관계. 출처 : Gabriel Bolívar.

위의 이미지는 푸르스름한 가스를 사용하여 위를 정확하게 보여줍니다.

입자 사이의 인력은 0입니다.

용기 내부의 기체 입자는 상호 작용이 힘을 얻기에 충분한 시간없이 서로 충돌합니다. 그것들을 주로 둘러싸고있는 것이 분자 진공 일 때는 훨씬 적습니다. 이것의 즉각적인 결과는 선형 경로가 컨테이너의 부피를 완전히 포괄 할 수 있다는 것입니다.

그렇지 않다면 "기괴한"모양과 "미궁 모양"의 용기는 가스 응축으로 인해 습한 영역을 갖게 될 것입니다. 대신 입자는 상호 작용의 힘으로 인해 방해받지 않고 완전히 자유롭게 전체 컨테이너를 통과합니다.

상호 작용이 null이거나 중요하지 않은 경우 (A., 선형) 및 중요 할 때 (B., 곡선) 기체 입자의 궤적. 출처 : Gabriel Bolívar.

상부 이미지 (A.)의 선형 궤도는이 가정을 보여줍니다. 궤적이 곡선 (B.) 인 경우 입자간에 무시할 수없는 상호 작용이 있음을 나타냅니다.

기체 입자는 항상 움직이고 있습니다.

처음 두 가지 가정에서 가스 입자가 움직이지 않는다는 사실도 수렴합니다. 컨테이너에서 흐려지면 절대 온도에 직접 비례하는 힘과 속도로 서로 및 벽과 충돌합니다. 이 힘은 압력입니다.

기체 입자가 잠시 움직이지 않으면 용기 내부에서 "연기의 혀"가 보이지 않고 갑자기 나타나며 진공 상태에서 스스로를 배열하고 임의의 모양을 제공 할 수있는 충분한 시간이 있습니다.

입자와 컨테이너 벽 사이의 충돌은 탄력적입니다.

기체 입자와 용기 벽 사이의 탄성 충돌 만 용기 내부에서 우세한 경우 기체의 응축은 발생하지 않습니다 (물리적 조건이 변하지 않는 한). 또는 그들이 결코 쉬지 않고 항상 충돌한다고 말하는 것과 같은 것입니다.

이는 탄성 충돌에서 운동 에너지의 순 손실이 없기 때문입니다. 입자가 벽과 충돌하고 같은 속도로 튕 깁니다. 충돌 할 때 입자가 느려지면 다른 입자는 열이나 소리를 생성하지 않고 둘 중 하나의 운동 에너지를 소멸시키지 않고 가속합니다.

운동 에너지는 일정하지 않습니다.

입자의 움직임은 무작위적이고 혼란 스럽기 때문에 모든 속도가 같은 것은 아닙니다. 예를 들어 고속도로 나 군중 속에서도 마찬가지입니다. 일부는 더 활기차고 더 빨리 여행하는 반면, 다른 일부는 속도가 빨라지도록 충돌을 기다리며 느립니다.

속도를 설명하려면 평균을 계산해야합니다. 이를 통해 기체 입자 또는 분자의 평균 운동 에너지가 차례로 얻어집니다. 모든 입자의 운동 에너지가 지속적으로 변하기 때문에 평균화를 통해 데이터를 더 잘 제어 할 수 있으며 더 높은 신뢰성으로 작업 할 수 있습니다.

평균 운동 에너지는 모든 가스에 대해 주어진 온도와 같습니다.

용기 의 평균 분자 운동 에너지 (EC _mp )는 온도에 따라 변합니다. 온도가 높을수록 에너지가 높아집니다. 평균이기 때문에이 값에 대해 더 많거나 적은 에너지를 갖는 입자 또는 가스가있을 수 있습니다. 일부는 각각 더 빠르고 일부는 느립니다.

EC _mp 는 온도에만 의존 한다는 것을 수학적으로 보여줄 수 있습니다 . 즉, 가스의 질량 또는 분자 구조가 무엇이든 상관없이 EC _mp 는 온도 T에서 동일하며 증가하거나 감소하는 경우에만 달라집니다. 모든 가정 중에서 이것은 아마도 가장 관련이 있습니다.

그리고 평균 분자 속도는 어떻습니까? EC _mp 와 달리 분자 질량은 속도에 영향을 미칩니다. 기체 입자 또는 분자가 무거울수록 더 느리게 움직일 것으로 예상하는 것은 당연합니다.

예

다음은 TCM이 어떻게 이상 기체 법칙을 설명했는지에 대한 간단한 예입니다. 다루지는 않았지만 가스의 확산 및 삼출과 같은 다른 현상도 TCM으로 설명 할 수 있습니다.

보일의 법칙

용기의 부피가 일정한 온도에서 압축되면 기체 입자가 벽과 충돌하기 위해 이동해야하는 거리가 감소합니다. 이는 충돌 빈도가 증가하여 압력이 더 커지는 것과 같습니다. 온도가 일정하게 _유지됨에 따라 EC _mp 도 일정합니다.

Charles Law

T를 높이면 EC _mp가 증가합니다. 기체 입자는 더 빨리 움직이고 컨테이너의 벽과 더 많이 충돌합니다. 압력이 증가합니다.

벽이 유연하고 확장 할 수 있으면 면적이 더 커지고 압력이 일정해질 때까지 떨어집니다. 결과적으로 볼륨도 증가합니다.

달튼의 법칙

더 작은 용기에서 나오는 몇 리터의 다른 가스가 넓은 용기에 추가되면 총 내부 압력은 각 가스 유형에서 개별적으로 가해지는 부분 압력의 합과 같습니다.

왜? 모든 가스가 서로 충돌하고 균일하게 분산되기 시작하기 때문입니다. 그들 사이의 상호 작용은 0이고, 진공은 용기에서 우세하다 (TCM 가정), 마치 각 가스가 다른 가스의 간섭없이 개별적으로 압력을 가하는 것과 같다.

참고 문헌

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