Las propiedades termodinámicas de un gas dependen de la velocidad media de movimiento de los átomos o moléculas que lo componen.
Los átomos o moléculas que componen el gas se mueven libremente a una distancia considerable entre sí e interactúan solo cuando chocan entre sí; sólo mencionaré «moléculas» para referirnos a «moléculas o átomos». Por lo tanto, la molécula se mueve de forma rectilínea solo en los intervalos entre colisiones; cambiando la dirección del movimiento después de cada interacción con otra molécula. La longitud promedio de un segmento de movimiento en línea recta de una molécula de gas se denomina camino libre promediado. Cuanto mayor sea la densidad del gas menor será la distancia media entre moléculas, pero más corta será la trayectoria libre media entre colisiones.
Surgimiento de Teoría Cinética Molecular
En la segunda mitad del siglo XIX, una imagen aparentemente simple de la estructura atómico-molecular de los gases; gracias a los esfuerzos de varios físicos teóricos, se convirtió en una teoría poderosa y bastante universal. La nueva teoría se basa en la idea de la relación entre los indicadores macroscópicos medibles del estado de un gas (temperatura, presión y volumen) con características microscópicas: el número, la masa y la velocidad de las moléculas. Dado que las moléculas están en constante movimiento y como consecuencia, tienen energía cinética, esta teoría se denomina teoría cinética molecular de los gases.
Tomando la presión como ejemplo. En cualquier momento, las moléculas golpean las paredes del recipiente y con cada impacto, les transfieren un cierto impulso de fuerza; que es extremadamente pequeño en sí mismo, pero el efecto total de millones de moléculas produce un efecto de fuerza significativo en las paredes, que percibimos como presión. Por ejemplo, al bombear una rueda de automóvil, se destilan moléculas de aire atmosférico dentro del volumen cerrado del neumático; además de la cantidad de moléculas que ya están dentro. Como resultado, la concentración de moléculas dentro del neumático es mayor que en el exterior, golpean con mayor frecuencia las paredes; la presión dentro del neumático es más alta que la presión atmosférica y el neumático se infla volviéndose resistente.
El significado de la teoría es que por el camino libre promedio de las moléculas podemos calcular la frecuencia de sus colisiones con las paredes del recipiente. Es decir, al tener información sobre la velocidad de movimiento de las moléculas; es posible calcular las características de un gas que se pueden medir directamente. En otras palabras, la teoría cinética molecular nos da una conexión directa entre el mundo de moléculas y átomos y el macrocosmos tangible.
Entrando más en la Teoría Cinética Molecular
Lo mismo ocurre con la comprensión de la temperatura en el marco de esta teoría. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la velocidad media de las moléculas de gas. Esta relación se describe mediante la siguiente ecuación:
1/2 mv 2 = kT
donde m es la masa de una molécula de gas, v es la velocidad promedio del movimiento térmico de las moléculas, T es la temperatura del gas (en Kelvin) y k es la constante de Boltzmann. La ecuación básica de la teoría cinética molecular define una relación directa entre las características moleculares de un gas y características macroscópicas medibles. La temperatura del gas es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad molecular media.
La teoría cinética molecular también da una respuesta bastante definida a la cuestión de las desviaciones de las velocidades de las moléculas individuales del valor medio. Cada colisión entre moléculas de gas conduce a una redistribución de energía entre ellas; las moléculas que son demasiado rápidas disminuyen la velocidad, demasiado lentas – aceleran, lo que conduce a un promedio. En un momento dado, innumerables millones de tales colisiones ocurren en el gas. Sin embargo, resultó que a una temperatura dada de un gas en un estado estable, el número promedio de moléculas con una cierta velocidad vo energía E no cambia.
Esto sucede porque, desde un punto de vista estadístico, la probabilidad de que una molécula con energía E cambiará su energía y entrará en un estado de energía cercano, es igual a la probabilidad de que otra molécula, por el contrario, entre en un estado con energía E. Por lo tanto, aunque cada molécula individual tiene energía E solo ocasionalmente, el número promedio de moléculas con energía E permanece sin cambios.
Principio de velocidad y formulación
Esta idea de la distribución promediada de moléculas sobre velocidades y su formulación rigurosa pertenece a James Clark Maxwell; el mismo teórico sobresaliente también posee una descripción rigurosa de los campos electromagnéticos ( véanse las ecuaciones de Maxwell ). Fue él quien derivó la distribución de velocidades de las moléculas a una temperatura dada (ver figura). La mayoría de las moléculas se encuentran en un estado de energía correspondiente al pico de la distribución de Maxwell y la velocidad promedio; sin embargo, de hecho, las velocidades de las moléculas varían dentro de límites bastante grandes.
