气体分子动力学理论

气体的分子动力学理论从气体原子和分子的微观性质来解释气体的三个宏观特征。固体和液体的大小、形状、质量和体积通常用于表征它们的物理性质。另一方面，气体没有确定的形状或大小，它们的质量和体积也不是直接测量的。每种气体的物理性质可以使用气体动力学理论根据三个可测量的宏观性质来表征。

气体分子动力学理论

The kinetic theory of gases is a theoretical model that describes the molecular composition of a gas in terms of a large number of submicroscopic particles like atoms and molecules. The theory also states that gas pressure is caused by particles hitting each other and the container’s walls. Temperature, volume, and pressure are all defined by the kinetic theory of gases, also transport qualities like viscosity and thermal conductivity, as well as mass diffusivity. It essentially explains all of the aspects of the microscopic phenomenon. 

该理论很重要，因为它有助于发展宏观特征和微观现象之间的关系。气体的动力学理论有助于理解分子作用。一般来说，气体分子总是在运动，并且往往会与彼此以及容器壁发生碰撞。由于它的假设是基于在气体中发现的微观粒子，所以动力学分子理论有时被称为微观模型。伯努利提出了这个想法，后来被克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼等人探索和扩展。

气体分子动力学理论假设

气体分子动力学理论的基本假设如下：

• 气体公设的动力学理论有利于从微观性质推导宏观性质。
• 气体由许多小颗粒（原子和分子）组成。与粒子之间的距离相比，这些粒子非常小。单个粒子被认为是微不足道的，气体占据的大部分体积是空的。
• 这些分子处于随机运动的恒定状态，导致它们相互碰撞并与容器壁发生碰撞。当气体分子与容器壁碰撞时，分子会给容器壁一些动量。本质上，这导致产生可测量的力。因此，如果我们将此力除以面积，则定义了压力。
• 分子与壁的碰撞是完全弹性的。这意味着分子在碰撞时不会失去动能。分子不会减速，并且会继续以相同的速度移动。然而，在碰撞过程中，可能会发生能量的重新分配。
• 气体粒子的平均动力学与绝对温度成正比。结果，随着温度升高，气体粒子的平均动能降低。换言之，温度越高，气体的平均动能越大。
• 分子被大量空间隔开。分子之间的空隙是如此之大，以至于分子的实际体积与气体的总体积相比可以忽略不计。
• 在常温常压下，分子之间没有相互作用力（吸引力或排斥力）。他们彼此完全孤立地移动。
• 气体由于其分子与每单位面积的容器壁的碰撞而施加压力。

理想气体的气体定律

• 压力 α 恒定体积下的粒子数：当粒子与容器壁碰撞时会产生压力。气体粒子数越多，与容器壁碰撞的粒子数就越多。在恒定温度和体积下，气体的量（或颗粒数量）越大，压力就越高。
• 阿伏伽德罗定律– 在恒定压力下： N α V。碰撞次数和压力随着粒子数量的增加而增加。如果压力保持恒定，减少碰撞次数的唯一方法是增加体积。体积与恒压下的气体量成正比。
• 波义耳定律（恒定温度下的压力）：粒子的动能在恒定温度下保持恒定。当体积在恒定温度下减小时，每单位体积或单位面积的粒子数增加。单位面积内的碰撞频率随着单位面积内粒子数的增加而增加。在恒温下，压力越大，容器的体积就越小。
• 阿蒙顿定律：在恒定体积下： P α T。粒子的动能随着温度的升高而升高。当体积保持不变时，粒子会快速移动，从而增加单位时间内容器壁上的碰撞频率，从而增加压力。温度越高，定容气体的压力越高。
• 查尔斯定律– 在恒定压力下： V α T。温度变化与压力变化成正比。如果压力也必须保持恒定，则必须相应调整碰撞次数。碰撞只能通过在恒定压力和恒定物质量下改变面积或体积来改变。在恒定压力下，体积与温度成比例变化。
• 格雷厄姆扩散定律：格雷厄姆定律指出，气体的扩散速率与其分子量的平方成反比。在相同温度下，两种分子量为 M ₁和 M ₂的气体将具有相同的动能。然后，

$\frac{v_{1}}{v_{2}}=\sqrt{\frac{M_{2}}{M_{1}}}$

分子量与分子的速度成反比。

• 道尔顿定律：气体分子在容器壁上的压力。由于没有吸引力，一种气体分子的行为独立于混合物中其他气体的分子。因此，当分子与容器壁碰撞时，不会受到其他分子的影响。就好像一种气体的分子不存在一样，另一种气体的分子对总压力有贡献。结果，气体混合物的总压力等于它们的分压之和。这被称为道尔顿定律。

非理想气体行为

只有在特定的低压和高温条件下，所有的气体分子都遵循理想气体定律。实际气体与理想气体行为的偏差可以追溯到不正确或不正确的假设假设。

这些法律是，

1. 由于粒子是没有体积的点电荷，因此应该可以将气体压缩到零体积。然而，气体不能被压缩到零体积这一事实意味着，尽管颗粒很小，但它们具有体积，不应被忽视。
2. 粒子是独立的，不会相互影响：粒子会根据它们的性质相互影响。气体的压力受相互作用的影响。体积和相互作用因一种气体而异。对于实际气体，已经设计了许多气体定律，其中包括压力和体积的校正因子。
3. 粒子之间的碰撞是弹性的，能量是交换的。结果，粒子不具有相同的能量并且具有能量分布。

麦克斯韦 - 玻尔兹曼分子速度的分子分布

A gas is made up of thousands of small particles separated by enormous empty gaps. These particles move in all directions at all times. They collide with each other as well as the container’s walls during their motion. The speed and direction of the molecules change as a result of collisions. 

因此，并非特定气体样本中的所有分子都具有相同的速度。各个分子的速度各不相同，并且分布在很大的范围内。即使所有粒子以相同的速度开始，分子碰撞也会导致它们发散。某些分子的速度同样在不断变化。然而，在给定的温度下，各种分子之间的速度分布保持不变，即使分子的各个速度发生波动。

结果，以特定速度运动的分子的比例保持不变。由于麦克斯韦和玻尔兹曼是第一个提出它的，所以这被称为速度分布，也被称为麦克斯韦-玻尔兹曼分布定律。气体的动力学理论预测粒子不断地运动，并且它们的动能与气体的温度成正比。麦克斯韦-玻尔兹曼利用这一理论确定了气态粒子在能量为零和无穷大之间的分布，以及粒子的最常见、平均和均方根速度。

示例问题

问题一：动力学理论的主要基础是什么？

回答：

The kinetic theory of gases explains how gases behave by assuming that they are made up of quickly moving atoms or molecules.

问题 2：定义动力学气体方程。

回答：

An equation for the pressure of the gas was derived using the postulates of kinetic molecular theory. The kinetic gas equation is the name for this equation. It’s written as,

$pV=\frac{1}{3}mN\bar{u^{2}}$

where m is the molecule’s mass, N is the volume’s number of molecules, and u is the velocity.

问题3：为什么山站的蔬菜更难煮？

回答：

Since the atmospheric pressure is lower in hill stations, so the boiling point is also lower and it becomes harder to cook in hill stations.

问题4：动力学模型的三个要点是什么？

回答：

The most basic kinetic model is based on the following assumptions.

• The gas is made up of a large number of identical molecules moving in random directions, separated by large distances compared to their size.
• The molecules collide completely elastically (with no energy loss) with each other and with the container walls, but otherwise do not interact.
• Kinetic energy is transferred between molecules through heat.

问题5：解释为什么-273 ⁰ C是根据查理定律的最低温度。

回答：

Under constant pressure, volume changes proportionally to temperature, according to Charle’s law. At -273⁰C, the volume of the gas equals zero, indicating that the gas no longer exists. As a result, the lowest temperature is -273 ⁰C.