¿Qué es la teoría cinética?

La teoría cinética es una teoría científica sobre la naturaleza de los gases. La teoría tiene muchos nombres, incluida la teoría cinética de los gases, la teoría cinético-molecular, la teoría de colisión y la teoría cinética-molecular de los gases. Explica las propiedades observables y medibles, también llamadas macroscópicas, de los gases en términos de su composición molecular y actividad. Si bien Isaac Newton teorizó que la presión de un gas se debe a la repulsión estática entre las moléculas, la teoría cinética sostiene que la presión es el resultado de colisiones entre moléculas.

La teoría cinética hace una serie de suposiciones sobre los gases. Primero, un gas está hecho de partículas muy pequeñas, cada una con una masa distinta de cero, que se mueve constantemente de manera aleatoria. El número de moléculas en una muestra de gas debe ser lo suficientemente grande como para realizar una comparación estadística.

La teoría cinética supone que las moléculas de gas son perfectamente esféricas y elásticas, y que sus colisiones con las paredes de su contenedor también son elásticas, lo que significa que no producen ningún cambio en la velocidad. El volumen total de las moléculas de gas es insignificante en comparación con el volumen total de su contenedor, lo que significa que hay un amplio espacio entre las moléculas. Además, el tiempo durante la colisión de una molécula de gas con la pared del recipiente es insignificante en relación con el tiempo entre colisiones con otras moléculas. La teoría se basa además en el supuesto de que los efectos relativistas o de mecánica cuántica son insignificantes, y que los efectos de las partículas de gas entre sí son insignificantes, con la excepción de la fuerza ejercida por las colisiones. La temperatura es el único factor que afecta la energía cinética promedio, o energía debida al movimiento, de las partículas de gas.

Estas suposiciones deben mantenerse para que funcionen las ecuaciones de la teoría cinética. Un gas que cumple todos estos supuestos es una entidad teórica simplificada conocida como gas ideal. Los gases reales generalmente se comportan de manera similar a los gases ideales para que las ecuaciones cinéticas sean útiles, pero el modelo no es perfectamente preciso.

La teoría cinética define la presión como la fuerza ejercida por las moléculas de gas cuando chocan con la pared del recipiente. La presión se calcula como la fuerza por área, o P = F / A. La fuerza es el producto del número de moléculas de gas, N, la masa de cada molécula, m, y el cuadrado de su velocidad promedio, v ² _rms , todo dividido por tres veces la longitud del contenedor, 3 l. Por lo tanto, tenemos la siguiente ecuación para la fuerza: F = Nmv ² _rms / 3l. La abreviatura, rms, significa raíz cuadrática media, un promedio de la velocidad de todas las partículas.

La ecuación para la presión es P = Nmv ² _rms / 3Al. Como el área multiplicada por la longitud es igual al volumen, V, esta ecuación se puede simplificar como P = Nmv ² _rms / 3V. El producto de presión y volumen, PV, es igual a dos tercios de la energía cinética total, o K, lo que permite la derivación de propiedades macroscópicas de una microscópica.

Una parte importante de la teoría cinética es que la energía cinética varía en proporción directa a la temperatura absoluta de un gas. La energía cinética es igual al producto de la temperatura absoluta, T, y la constante de Boltzman, k _B , multiplicada por 3/2; K = 3Tk _B / 2. Por lo tanto, cada vez que aumenta la temperatura, aumenta la energía cinética y ningún otro factor tiene un efecto sobre la energía cinética.