Teori kinetik mengemukakan bahwa tekanan disebabkan oleh tumbukan antara molekul yang bergerak pada kecepatan yang berbeda melalui gerak Brown. Suhu gas monatomis yang ideal adalah ukuran energi kinetik rata-rata atomnya. Dalam teori kinetik, hal ini terkait dengan energi kinetik rata-rata per derajat kebebasan Ek melalui persamaan:

¯¯¯¯Ek=12E¯k=12 kT.

Teori kinetik gas menggunakan model gas ideal untuk menghubungkan suhu dengan energi kinetik translasi rata-rata dari molekul dalam wadah gas dalam kesetimbangan termodinamika.

  • Gas ideal: Gas hipotetis yang molekulnya tidak menunjukkan interaksi dan mengalami tabrakan elastis satu sama lain dan dengan dinding wadah.
  • Derajat kebebasan: Setiap koordinat, jumlah minimum yang diperlukan untuk menentukan gerak sistem mekanis.
  • Gerakan Brown: Gerak acak partikel tersuspensi dalam cairan, timbul dari partikel yang dipukul oleh molekul cairan individual.

Pengantar Teori Suhu dan Kinetik

Teori kinetik gas menggambarkan gas sebagai jumlah besar kecilnya (atom atau molekul) partikel yang semuanya bergerak konstan dan acak. Partikel yang bergerak capat terus bertabrakan satu sama lain melalui dinding wadah. Teori kinetik menjelaskan sifat makroskopik gas (seperti tekanan, suhu dan volume) dengan mempertimbangkan komposisi dan gerak molekulnya.

Intinya, teori tersebut mengemukakan bahwa tekanannya adalah karena tidak memaksakan diri secara statis antara molekul karena tabrakan antara molekul bergerak pada kecepatan yang berbeda melalui gerakan Brown. Suhu gas monatomis yang ideal adalah ukuran energi kinetik rata-rata atomnya, seperti yang digambarkan dibawah ini.

Teori kinetik gas menggunakan model gas ideal untuk menghubungkan suhu dengan energi kinetik translasi rata-rata dari molekul dalam wadah gas serta dalam kesetimbangan termodinamika. Mekanika klasik mendefinisikan energi kinetik translasi dari molekul gas sebagai berikut:

Ek=12mv2Ek=12mv2,

dimana m adalah massa partikel dan v kecepatannya (besarnya kecepatannya). Distribusi kecepatan (yang menentukan energi kinetik translasi) partikel dalam gas ideal klasik disebut distribusi Maxwell-Boltzmann. Dalam teori kinetik, suhu gas ideal klasik berhubungan dengan energi kinetik rata-rata per derajat kebebasan Ek melalui persamaan:

¯¯¯¯Ek=12kTE¯k=12kT,

(k: konstanta Boltzmann). Ini akan menurunkan hubungan atom yang berikutnya. Dan juga akan mendapatkan undang-undang gas ideal:

pV=nRTpV=nRT,

(R: konstanta gas ideal, n: jumlah mol gas) dari teori mikroskopis.

Teori Atom Materi

Teori atom adalah teori ilmiah tentang sifat materi yang menyatakan bahwa materi terdiri dari satuan diskrit yang disebut atom.

Poin Utama

  1. John Dalton adalah orang pertama yang mengajukan teori atom ilmiah. Studinya di dasarkan dari dua undang-undang yaitu: hukum konservasi massa dan hukum yang pasti.
  2. Dalton mengusulkan bahwa setiap unsur kimia terdiri dari atom-atom dengan tipe unik tunggal dan tidak dapat diubah atau dihancurkan dengan cara kimia, mereka dapat menggabungkannya untuk membentuk struktur yang lebih kompleks.
  3. Teori kinetik gas menjelaskan sifat makroskopik gas, seperti tekanan, suhu dan volume dengan mempertimbangkan komposisi dan gerak molekulernya.
  4. Sementara gagasan Dalton tentang materi yang terdiri dari berbagai atom, dia salah untuk beberapa sifat mereka. Atom dapat dibagi menjadi beberapa bagian yang lebih kecil. Atom dari unsur yang sama dapat memiliki massa yang sedikit berbeda dan berperilaku berbeda.

Persyaratan Utama

  • Atom: Jumlah materi terkecil yang masih mempertahankan identitasnya sebagai unsur kimia, sekarang diketahui terdiri dari nukleus yang dikelilingi oleh elektron.
  • Teori kinetik gas: Teori kinetik gas menggambarkan gas sebagai sejumlah besar partikel kecil (atom atau molekul), yang semuanya bergerak konstan dan acak.
  • Reaksi kimia: Suatu proses, yang melibatkan pemecahan atau pembuatan ikatan interatomik, di mana satu atau lebih zat diubah menjadi zat lain.

Teori atom adalah teori ilmiah tentang sifat materi yang menyatakan bahwa materi terdiri dari satuan diskrit yang disebut atom, berlawanan dengan gagasan kuno bahwa materi dapat dibagi menjadi sejumlah kecil yang sewenang-wenang. Meskipun fisikawan menemukan bahwa apa yang disebut “atom tak terpisahkan” sebenarnya adalah konglomerat dari berbagai partikel subatomik, konsep atom masih penting karena mereka sedang membangun blok materi dan membentuk dasar kimia.

  • Hipotesis Atom Dalton

Proposal filosofis mengenai atom telah diusulkan sejak tahun-tahun Yunani kuno, namun John Dalton adalah orang pertama yang mengajukan teori atom ilmiah. Dia mendasarkan studinya pada dua undang-undang tentang reaksi kimia yang muncul (tanpa mengacu pada gagasan tentang teori atom) pada akhir abad ke-18.

Yang pertama adalah hukum konservasi massa, yang diformulasikan oleh Antoine Lavoisier pada tahun 1789, yang menyatakan bahwa total massa dalam reaksi kimia tetap konstan (yaitu reaktan memiliki massa yang sama dengan produk).
Yang kedua adalah hukum proporsi pasti, pertama kali dibuktikan oleh ahli kimia Prancis Joseph Louis Proust.

Dalton mengusulkan agar setiap unsur kimia tersusun dari atom dengan tipe unik tunggal dan tidak dapat diubah atau dihancurkan dengan cara kimia, mereka dapat menggabungkannya untuk membentuk struktur yang lebih kompleks (senyawa kimia). Ini menandai teori atom pertama yang benar-benar ilmiah, karena Dalton mencapai kesimpulannya dengan eksperimen dan pemeriksaan hasil secara empiris. Untuk alasan ini, Dalton dianggap sebagai pencetus teori atom modern.

Teori atom Dalton memiliki 5 poin utama:

  1. Elemen terbuat dari partikel yang sangat kecil yang disebut atom.
  2. Atom dari unsur tertentu identik dalam ukuran, massa dan sifat lainnya; atom dari unsur yang berbeda-berbeda dalam ukuran, massa dan sifat lainnya.
  3. Atom tidak bisa terbagi, tercipta, atau hancur.
  4. Atom dari unsur yang berbeda menggabungkan rasio bilangan bulat sederhana untuk membentuk senyawa kimia.
  5. Dalam reaksi kimia, atom digabungkan, dipisahkan, atau disusun kembali.

Mengetahui bahwa gas terdiri dari partikel atom dan molekul kecil, adalah mencoba menjelaskan sifat gas dari sudut pandang mikroskopik. Upaya ini menyebabkan perkembangan teori kinetik gas, di mana sifat makroskopik gas, seperti tekanan, suhu dan volume, dijelaskan dengan mempertimbangkan komposisi dan gerak molekulernya.

  • Suhu dan Timbangan Suhu

Definisi ini juga secara tepat menghubungkan skala Celsius dengan skala Kelvin, yang mendefinisikan unit dasar SI dari suhu termodinamika dan yang menggunakan simbol K. Absolut nol, suhu terendah (suhu di mana materi mencapai entropi minimum), didefinisikan sebagai tepatnya 0K dan -273,15 ° C. Suhu titik tiga air didefinisikan tepat 273.16K dan 0,01 ° C. Berdasarkan hal tersebut, hubungan antara derajat Celcius dan Kelvin adalah sebagai berikut:

TCelsius=TKelvin273.15TCelsius=TKelvin−273.15

Selain mengekspresikan suhu spesifik panjang skalanya (misalnya, “Gallium meleleh pada suhu 29.7646 ° C” dan “Suhu di luar adalah 23 derajat Celsius”), derajat Celcius juga harus sesuai untuk mengungkapkan interval suhu. Perbedaan antara suhu, atau ketidakpastiannya (mis. “Output dari heat exchanger lebih panas sebesar 40 derajat celcius” dan “Ketidakpastian standar kami adalah ± 3 ° C”).

Karena penggunaan ganda ini, seseorang tidak boleh bergantung pada nama unit atau simbolnya untuk menunjukkan bahwa kuantitas adalah interval suhu. Harus jelas melalui konteks atau pernyataan eksplisit bahwa kuantitas adalah selang waktu.

Tekanan dan energi kinetik

Dalam model kinetik gas, tekanannya sama dengan gaya yang diberikan oleh atom yang memukul dan rebound dari area unit permukaan wadah gas. Perhatikan gas molekul N, masing-masing massa m, diliputi dalam satu kubus volume V = L3. Ketika sebuah molekul gas bertabrakan dengan dinding wadah yang tegak lurus terhadap sumbu x dan memantul ke arah yang berlawanan dengan kecepatan yang sama (tabrakan elastis), perubahan momentum diberikan oleh:

{\displaystyle \Delta p=p_{i,x}-p_{f,x}=p_{i,x}-(-p_{i,x})=2p_{i,x}=2mv_{x},}

Dimana p adalah momentum, i dan f menunjukkan momentum awal dan akhir (sebelum dan sesudah tabrakan), x menunjukkan bahwa hanya arah x yang dipertimbangkan dan v adalah kecepatan partikel (yang sama sebelum dan sesudah tabrakan ).

Partikel mempengaruhi satu dinding samping tertentu cuman sekali

{\displaystyle \Delta t={\frac {2L}{v_{x}}},}

Dimana L adalah jarak antara dinding yang berlawanan.

Kekuatan akibat partikel ini adalah

F={\frac {\Delta p}{\Delta t}}={\frac {mv_{x}^{2}}{L}}.

Kekuatan total di dinding adalah

{\displaystyle F={\frac {Nm{\overline {v_{x}^{2}}}}{L}},}

Dimana bar menunjukkan rata-rata partikel N.

Karena gerak partikel acak dan tidak ada bias yang diterapkan ke segala arah, kecepatan kuadrat rata-rata di setiap arah itu identik:

{\displaystyle {\overline {v_{x}^{2}}}={\overline {v_{y}^{2}}}={\overline {v_{z}^{2}}}.}

Dengan teorema Pythagoras dalam tiga dimensi, kecepatan kuadrat total v diberikan oleh

{\displaystyle {\overline {v^{2}}}={\overline {v_{x}^{2}}}+{\overline {v_{y}^{2}}}+{\overline {v_{z}^{2}}},}
{\displaystyle {\overline {v^{2}}}=3{\overline {v_{x}^{2}}}.}

Karena itu:

{\displaystyle {\overline {v_{x}^{2}}}={\frac {\overline {v^{2}}}{3}},}

Dan kekuatannya bisa ditulis sebagai:

F={\frac {Nm{\overline {v^{2}}}}{3L}}.

Kekuatan ini diberikan pada area L2. Karena itu, tekanan gasnya adalah

{\displaystyle P={\frac {F}{L^{2}}}={\frac {Nm{\overline {v^{2}}}}{3V}},}

dimana V = L3 adalah volume kotak.

Dalam hal energi kinetik gas K:

{\displaystyle PV={\frac {2}{3}}\times {K}.}

Ini adalah hasil teori kinetik pertama yang tidak sepele karena berkaitan dengan tekanan, sifat makroskopis, terhadap energi kinetik (translasi) molekul.  {\displaystyle N{\frac {1}{2}}m{\overline {v^{2}}}} yang merupakan properti mikroskopis.

Suhu dan energi kinetik

Menulis ulang hasil di atas untuk tekanan sebagai  PV={Nm{\overline {v^{2}}} \over 3}. Kita bisa menggabungkannya dengan hukum gas ideal

\displaystyle PV=Nk_{B}T,

Dimana \displaystyle k_{B} adalah konstanta Boltzmann dan T suhu absolut yang ditentukan oleh undang-undang gas ideal, untuk mendapatkan

k_{B}T={m{\overline {v^{2}}} \over 3},

Yang menyebabkan ekspresi sederhana dari energi kinetik rata-rata per molekul

\displaystyle {\frac {1}{2}}m{\overline {v^{2}}}={\frac {3}{2}}k_{B}T

Energi kinetik dari sistem ini adalah N kali dari sebuah molekul, yaitu  K= \frac {1} {2} N m \overline{v^2}  . Kemudian suhu mengambil formulir.

 \displaystyle T = {m\overline{v^2}\over 3 k_B}

Persamaan adalah salah satu hasil penting dari teori kinetik: Rata-rata energi kinetik molekul sebanding dengan suhu absolut gas ideal. Dari Persamaan (1) dan Persamaan (3), memiliki

 \displaystyle PV = \frac {2} {3} K.

Dengan demikian, produk tekanan dan volume per mol sebanding dengan rata-rata (translasional) energi kinetik molekuler. Persamaan (1) dan Persamaan (4) disebut “hasil klasik”, yang juga dapat diturunkan dari mekanika statistik.

 \displaystyle PV = \frac {2} {3} K.

Karena ada \displaystyle 3N derajat kebebasan dalam sistem gas monatomik dengan partikel \displaystyle N  energi kinetik per derajat kebebasan per molekul adalah per mol: 12.47j. Dengan demikian energi kinetik per kelvin (gas ideal monatomik) adalah:Dalam energi kinetik per derajat, konstanta proporsionalitas suhu adalah 1/2 kali konstanta Boltzmann. Selain itu, suhu akan turun saat tekanan turun ke titik tertentu.

Mengapa? Hasil ini terkait dengan teorema ekuiteler. Seperti dicatat dalam artikel tentang kapasitas panas, gas diatomik harus memiliki 7 derajat kebebasan, namun gas yang lebih ringan bertindak seolah-olah hanya memiliki 5.

  • per molekul: 20,7 yJ = 129 μEV.

Pada suhu standar (273,15 K), kita mendapatkan:

  • per mol: 3406 J
  • per molekul: 5,65 zJ = 35,2 meV.

Skala Fahrenheit mengukur suhu. Hal ini didasarkan pada skala yang diusulkan pada tahun 1724 oleh fisikawan Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). Unit skala ini adalah derajat Fahrenheit (°F). Pada skala ini, titik beku air didefinisikan 32 derajat, sedangkan titik didih air didefinisikan 212 derajat.

Secara historis, titik nol skala Fahrenheit ditentukan dengan mengevaluasi termometer yang ditempatkan dalam air garam. Fahrenheit sendiri menggunakan campuran es, air dan amonium klorida (garam) dengan rasio 1: 1: 1. Ini adalah campuran frigorific, yang menstabilkan suhunya secara otomatis. Suhu stabil campuran ini didefinisikan sebagai 0°F (-17,78°C).

Titik penentu kedua, 32 derajat adalah campuran es dan air pada rasio 1: 1. Titik penentu ketiga, 96 derajat, kira-kira mendekati suhu tubuh manusia, lalu disebut “darah panah”. Sistem Fahrenheit menempatkan titik didih dan titik beku air sejajar 180 derajat. Oleh karena itu, derajat pada skala Fahrenheit adalah 1/180 interval antara titik beku dan titik didih.

Pada skala Celcius, titik beku dan titik didih air terpisah 100 derajat. Interval suhu 1°F sama dengan interval 5/9 derajat Celcius (°C). Untuk mengubah °F menjadi °C, Anda dapat menggunakan rumus berikut ini:

TCelsius=59(TFahrenheit32)

Skala Fahrenheit dan Celsius berpotongan pada -40° (-40°F dan -40°C mewakili suhu yang sama). Absolut nol (-273,15°C, atau 0K) didefinisikan sebagai -459,67°F.

Skala Fahrenheit digantikan oleh skala Celsius di kebanyakan negara pada pertengahan hingga akhir abad ke-20, meskipun Kanada mempertahankannya sebagai skala pelengkap yang dapat digunakan bersamaan dengan skala Celsius. Skala Fahrenheit tetap merupakan skala resmi.

  • Ekspansi termal

Ekspansi termal adalah kecenderungan materi berubah dalam volume sebagai respons terhadap perubahan suhu. (Contoh dari ini adalah tekuk rel kereta api). Atom dan molekul dalam padatan, misalnya, terus berosilasi di sekitar titik ekuilibriumnya.

Eksitasi semacam ini disebut gerakan termal. Bila suatu zat dipanaskan, partikel konstituennya mulai bergerak lebih banyak, sehingga mempertahankan pemisahan rata-rata yang lebih besar dengan partikel tetangga mereka. Tingkat ekspansi dibagi dengan perubahan suhu disebut koefisien ekspansi termal material; Biasanya bervariasi dengan suhu.

  • Ekspansi, Bukan Kontraksi

Mengapa materi berkembang ketika dipanaskan? Jawabannya dapat ditemukan dalam bentuk partikel-partikel khas potensial dalam materi. Partikel dalam padatan dan cairan terus-menerus merasakan adanya partikel tetangga lainnya. Interaksi ini dapat digambarkan secara matematis sebagai kurva potensial.

Untuk mengilustrasikan bagaimana potensi antar partikel, biasanya mengambil bentuk asimetris dan bukan bentuk simetris, sebagai fungsi jarak partikel-partikel. Perhatikan bahwa kurva potensial lebih curam untuk jarak yang lebih pendek. Untuk menunjukkan bahwa sebagai bahan yang dipanaskan, jarak partikel-partikel ekuilibrium meningkat.

Bahan yang berkontraksi atau mempertahankan bentuknya dengan suhu yang meningkat jarang terjadi. Efek ini terbatas dalam ukuran dan hanya terjadi dalam rentang suhu yang terbatas.

  • Ekspansi linier

Untuk pendekatan pertama, perubahan pengukuran panjang suatu benda (dimensi linier dibandingkan dengan, dimensi volumetrik) karena ekspansi termal berkaitan dengan perubahan suhu dan koefisien ekspansi linier. Ini adalah perubahan fraksional panjang per derajat perubahan suhu. Dengan asumsi efek tekanan yang dapat diabaikan, kita dapat menulis:

αL=1LdLdTαL=1LdLdT,

Dimana L adalah pengukuran panjang tertentu dan dL/dT adalah laju perubahan dimensi linier per satuan perubahan suhu. Dari definisi koefisien ekspansi, perubahan dimensi linier ΔLΔL di atas rentang suhu TT dapat diperkirakan:

ΔLL=αLΔTΔLL=αLΔT.

Persamaan ini bekerja dengan baik selama koefisien ekspansi linier tidak banyak berubah selama perubahan suhu. Jika ya, persamaan harus diintegrasikan.

Teori Kinetik Gas

  • Konstanta Avogadro

Hukum termodinamika klasik tidak menunjukkan ketergantungan langsung pada variabel makroskopis yang diamati pada aspek mikroskopik gerak atom dan molekul. Namun jelas bahwa tekanan yang diberikan oleh gas berhubungan dengan momentum linier atom dan molekul dan bahwa suhu gas berhubungan dengan energi kinetik atom dan molekul.

Dalam mengaitkan efek gerak atom dan molekul terhadap pengamatan makroskopik seperti tekanan dan suhu, kita harus menentukan jumlah molekul dalam gas. Mol adalah ukuran jumlah molekul dalam sampel, dan ini didefinisikan sebagai jumlah zat yang mengandung banyak atom/molekul karena ada atom di dalamnya:

a 12-g sample of 12C ”

Eksperimen laboratorium menunjukkan bahwa jumlah atom dalam a 12-g sample of 12C sama dengan 6,02 x 1023 mol-1. Nomor ini disebut konstanta Avogadro, NA. Jumlah mol dalam sampel, n, dapat ditentukan dengan mudah:

  • Gas Ideal

Avogadro membuat saran bahwa semua gas di bawah kondisi suhu dan tekanan yang sama mengandung jumlah molekul yang sama. Sebaliknya, jika anda mengambil 1 sampel mol berbagai gas, batasi dalam kotak dengan volume yang sama dan tahan pada suhu yang sama, anda akan menemukan tekanan terukur mereka hampir sama. Percobaan menunjukkan bahwa gas mematuhi hubungan berikut (hukum gas ideal):

Dimana n adalah jumlah mol gas dan R adalah konstanta gas. R memiliki nilai yang sama untuk semua gas:

Suhu gas harus selalu dinyatakan dalam satuan absolut (Kelvin). Dengan menggunakan gas ideal, maka anda bisa menghitung pekerjaan yang dilakukan oleh gas ideal. Misalkan sampel n mol gas ideal dibatasi dalam volume awal Vi. Gas mengembang dengan menggerakkan piston. Volume akhirnya adalah Vf. Selama ekspansi suhu T gas dijaga konstan (proses ini disebut ekspansi isotermal). Pekerjaan yang dilakukan oleh gas yang meluas diberikan oleh

Hukum gas ideal memberi kita hubungan antara tekanan dan volumenya

Karena T tetap konstan, pekerjaan yang dilakukan bisa dihitung dengan mudah

Catatan:

Jika sebuah silinder berisi oksigen pada suhu 20°C dan tekanan 15 atm. pada volume 12 l. Suhu dinaikkan sampai 35°C dan volumenya dikurangi menjadi 8,5 l. Berapakah tekanan akhir gas?

Hukum gas ideal mengatakan hal itu kepada kita

Keadaan awal gas ditentukan oleh Vi, pi dan Ti; keadaan akhir gas ditentukan oleh Vf, pf dan Tf. Kami menyimpulkan itu

Suhu T dalam formula ini harus dinyatakan dalam Kelvin:

Ti = 293 K

Tf = 308 K

Unit untuk volume dan tekanan bisa tertinggal dalam l dan atm. karena hanya rasio mereka yang masuk persamaan. Kami menyimpulkan bahwa pf = 22 atm.

Tekanan dan Suhu: Pandangan Molekuler

Biarkan gas dari gas ideal dibatasi pada kotak kubus volume V. Molekul di dalam kotak bergerak ke segala arah dengan kecepatan yang bervariasi, bertabrakan satu sama lain dan dengan dinding kotak. Gambar di bawah menunjukkan molekul bergerak di dalam kotak. Molekul akan bertabrakan dengan dinding yang tepat. Hasil tumbukan adalah pembalikan arah komponen x dari momentum molekul:

Komponen y dan z dari momentum molekul dibiarkan tidak berubah. Perubahan momentum partikel karenanya

Setelah molekul itu bertebaran dari dinding kanan, maka akan bertabrakan dengan dinding kiri dan akhirnya kembali ke dinding kanan. Waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan jalur ini diberikan oleh

Setiap kali molekul bertabrakan dengan dinding kanan, maka akan mengubah momentum dinding dengan Δp. Kekuatan yang diberikan pada dinding oleh molekul ini dapat dihitung dengan mudah

Untuk n mol gas, gaya yang sesuai sama dengan

Tekanan yang diberikan oleh gas sama dengan gaya per satuan luas, dan oleh karena itu

Istilah dalam kurung dapat ditulis ulang dalam bentuk rata-rata kecepatan kuadrat:

Jadi, dapat disimpulkan sebagai:

Dimana M adalah berat molekul gas. Untuk setiap molekul, kecepatan total dapat dihitung dengan mudah

Karena ada banyak molekul dan karena tidak ada arah yang diinginkan, kuadrat rata-rata kecepatan dalam arah x, y dan z sama

Dengan demikian

Dengan menggunakan relasi ini, ekspresi untuk tekanan p dapat ditulis ulang sebagai

Dimana vrms disebut kecepatan akar-mean-kuadrat dari molekul. Hukum gas ideal mengatakan hal itu kepada kita

Menggabungkan dua persamaan terakhir kita menyimpulkan itu

dan

Untuk H pada 300 K vrms = 1920 m / s; untuk 14N vrms = 517 m / s. Kecepatan suara di kedua gas ini masing-masing 1350 m / s dan 350 m / s. Kecepatan suara dalam gas akan selalu kurang dari vrms karena suara merambat melalui gas dengan mengganggu gerak molekul. Gangguan tersebut ditularkan dari molekul ke molekul melalui tumbukan. Oleh karena itu, gelombang suara tidak akan berjalan lebih cepat daripada kecepatan rata-rata molekul.

Teori Molekul Kinetik

Untuk sejauh ini eksperimental perilaku gas dapat dijelaskan dengan model teoretis sederhana yang dikenal dengan teori molekuler kinetik. Teori ini didasarkan pada postulat atau asumsi berikut:

  1. Gas terdiri dari sejumlah besar partikel yang berperilaku seperti benda keras dan bulat dalam keadaan gerak acak konstan.
  2. Partikel ini bergerak dalam garis lurus sampai bertabrakan dengan partikel lain atau dinding wadah.
  3. Partikel ini jauh lebih kecil dari jarak antar partikel. Sebagian besar volume gas adalah ruang kosong.
  4. Tidak ada kekuatan tarik antara partikel gas atau antara partikel dan dinding wadah.
  5. Tabrakan antara partikel gas atau tabrakan dengan dinding wadahnya sangat elastis. Tidak ada energi dari partikel gas yang hilang saat bertabrakan dengan partikel lain atau dengan dinding wadah.
  6. Energi kinetik rata-rata dari kumpulan partikel gas bergantung pada suhu gas dan tidak ada yang lain.

Asumsi di balik teori molekuler kinetik dapat diilustrasikan dengan peralatan yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, yang terdiri dari pelat kaca yang dikelilingi oleh dinding yang terpasang di atas tiga motor bergetar. Sejumlah bantalan bola baja ditempatkan di atas piring kaca untuk mewakili partikel gas.

Sementara hukum gas ideal berkaitan dengan jumlah gas makroskopik, teori molekuler kinetik menunjukkan bagaimana partikel gas saling berinteraksi satu sama lain. Teori molekuler kinetik berisi sejumlah pernyataan yang sesuai dengan asumsi hukum gas ideal, seperti:

  • Molekul adalah massa titik (tidak ada volume)
  • Molekul gas tidak memaksa satu sama lain kecuali mereka bertabrakan
  • Tabrakan molekul satu sama lain atau dinding wadah tidak mengurangi energi sistem
  • Molekul gas bergerak konstan dan acak
  • Suhu gas bergantung pada rata-rata energi kinetiknya rata-rata (1/2mv 2) = 3/2kT. Dengan kata lain, energi gas ideal sepenuhnya kinetik.Saat motor dinyalakan, pelat kaca bergetar, yang membuat bantalan bola bergerak secara konstan dan acak (postulat 1). Setiap bola bergerak dalam garis lurus sampai bertabrakan dengan bola lain atau dengan dinding wadah (postulat 2). Meski tabrakan sering terjadi, jarak rata-rata antara bantalan bola jauh lebih besar dari diameter bola (postulat 3). Tidak ada kekuatan tarik antara bantalan bola individu atau antara bantalan bola dan dinding wadah (postulat 4).

Tabrakan yang terjadi pada peralatan ini sangat berbeda dengan yang terjadi saat bola karet jatuh di lantai. Tabrakan antara bola karet dan lantai adalah inelastis, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Sebagian energi bola hilang setiap kali menyentuh lantai, sampai akhirnya gulung berhenti. Pada alat ini, tumbukannya sangat elastis. Bola memiliki energi sebanyak tabrakan seperti sebelumnya (postulat 5).

Hal yang menakjubkan tentang teori molekuler kinetik adalah dapat digunakan untuk mendapatkan undang-undang gas ideal. Derivasi semacam itu menghubungkan klaim mikroskopis dari teori molekuler kinetik terhadap perilaku makroskopis hukum gas ideal yang sangat terlihat. Derivasi berada di luar cakupan catatan ini, namun Anda harus meminta instruktur Anda untuk menunjukkan kepada Anda apakah Anda tertarik.

  • Syarat dan Rumusan

Syarat

Konstanta Boltzmann – Konstanta, k, yang terlibat dalam persamaan untuk kecepatan rata-rata. k = 1,38 × 10-23 J / K

Difusi – merupakan penyebaran satu zat melalui zat lainnya.

Efusi – merupakan laju di mana gas melewati lubang kecil menjadi ruang hampa.

Energi kinetik – E k = 1 / 2mv 2

Teori molekuler kinetik – Teori yang memodelkan interaksi antara molekul gas individual. Distribusi kecepatan Maxwell-Boltzmann, tercapai saat kecepatan molekul diatur terhadap jumlah molekul yang berbagi kecepatan.

Jalur bebas rata-rata – Jarak rata-rata yang ditempuh molekul sebelum mempengaruhi molekul lain. Dengan jumlah tabrakan yang besar dalam gas, jalur bebas rata-rata jauh lebih kecil daripada ruangan atau wadah biasa. Persamaan untuk jalur bebas rata-rata:

λ =

m p – Kecepatan yang paling mungkin di mana kebanyakan molekul dalam perjalanan gas. Rumus untuk kecepatan yang paling mungkin adalah:

v p=

Kecepatan kuadrat rata-rata – Suatu persamaan untuk mengukur kecepatan molekul yang khas dalam gas.

v rms =    =    = 

Kecepatan rata-rata

      ==  

Energi kinetik E k = 1 / 2mv 2

Jalur bebas rata

λ =

Formule untuk kecepatan yang paling mungkin

v p =

Setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik yang didefinisikan sebagai satu setengah dari produk massanya dengan kecepatan kuadratnya.

KE = 1/2 mv2

Setiap saat, beberapa bantalan bola pada alat ini bergerak lebih cepat dari yang lain, namun sistem dapat digambarkan dengan energi kinetik rata-rata. Ketika ini meningkatkan “suhu” sistem dengan meningkatkan voltase ke motor, ditemukan bahwa energi kinetik rata-rata dari bantalan bola meningkat (postulat 6).

Bagaimana Teori Molekul Kinetik Menjelaskan Hukum Gas

Teori molekuler kinetik dapat digunakan untuk menjelaskan masing-masing undang-undang gas eksperimental yang ditentukan.

  • Link Antara P dan n

Tekanan gas dihasilkan dari tumbukan antara partikel gas dan dinding wadah. Setiap kali partikel gas menyentuh dinding, ia memberi kekuatan pada dinding. Peningkatan jumlah partikel gas dalam wadah meningkatkan frekuensi benturan dengan dinding oleh tekanan gas

  • Hukum Amontons (PT)

Dosis terakhir dari teori molekuler kinetik menyatakan bahwa energi kinetik rata-rata partikel gas hanya bergantung pada suhu gas. Dengan demikian, energi kinetik rata-rata partikel gas meningkat saat gas menjadi lebih hangat. Karena massa partikel ini konstan, energi kinetik mereka hanya bisa meningkat jika kecepatan rata-rata partikel meningkat.

Semakin cepat partikel-partikel ini bergerak menabrak dinding, semakin besar gaya yang mereka gunakan di dinding. Karena gaya per tumbukan menjadi lebih besar seiring kenaikan suhu, tekanan gas juga harus meningkat.

  • Hukum Boyle (P = 1 / v)

Gas dapat dikompres karena sebagian besar volume gas adalah ruang kosong. Jika anda memanfaatkan gas tanpa mengubah suhu, energi kinetik rata-rata partikel gas tetap sama. Tidak ada perubahan kecepatan dimana partikel bergerak, namun wadahnya lebih kecil. Dengan demikian, partikel bergerak dari satu ujung wadah ke wadah lainnya dalam waktu yang lebih singkat.

Ini berarti mereka sering memukul dinding. Setiap kenaikan frekuensi saling berbenturan dengan dinding maka akan menyebabkan kenaikan tekanan gas. Dengan demikian, tekanan gas menjadi lebih besar karena volume gas menjadi lebih kecil.

  • Hukum Charles (V T)

Energi kinetik rata-rata partikel dalam gas sebanding dengan suhu gas. Karena massa partikel ini konstan, partikel harus bergerak lebih cepat saat gas menjadi lebih hangat. Jika mereka bergerak lebih cepat, partikel akan mengerahkan kekuatan yang lebih besar pada wadah setiap kali mereka menabrak dinding, yang menyebabkan peningkatan tekanan gas.

Jika dinding wadahnya fleksibel, maka akan meluas sampai tekanan gas sekali lagi menyeimbangkan tekanan atmosfir. Volume gas menjadi lebih besar karena suhu gas meningkat.

  • Hipotesis Avogadro (V N)

Seiring bertambahnya jumlah partikel gas, frekuensi benturan dengan dinding wadah harus meningkat. Hal ini, pada gilirannya, akan menyebabkan peningkatan tekanan gas. Wadah fleksibel, seperti balon, akan melebar sampai tekanan gas di dalam balon sekali lagi menyeimbangkan tekanan gas di luar. Dengan demikian, volume gas sebanding dengan jumlah partikel gas.

  • Hukum Tekanan Parsial Dalton (Pt = P1 + P2 + P3 + …)

Bayangkan apa yang akan terjadi jika enam bantalan bola dengan ukuran yang berbeda ditambahkan ke simulator dinamika molekuler. Tekanan total akan meningkat karena akan ada lebih banyak tabrakan dengan dinding wadah. Namun tekanan akibat tabrakan antara bantalan bola asli dan dinding wadah akan tetap sama.

Ada begitu banyak ruang kosong di dalam wadah bahwa setiap jenis bantalan bola menyentuh dinding wadah seperti pada campuranhanya ada satu jenis bantalan bola di pelat kaca. Jumlah total tabrakan dengan dinding dalam campuran ini. Oleh karena itu, jumlah tumbukan sama dengan setiap ukuran bantalan bola pada dirinya sendiri. Dengan kata lain, tekanan total campuran gas sama dengan jumlah tekanan parsial masing-masing gas.

Hukum Graham tentang Difusi dan Efusi

Beberapa sifat fisik gas bergantung pada identitas gas. Salah satu sifat fisik ini bisa dilihat saat pergerakan gas dipelajari.

Pada tahun 1829 Thomas Graham menggunakan alat yang serupa dengan yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini untuk mempelajari difusi gas tingkat di mana dua campuran gas. Alat ini terdiri dari tabung kaca yang disegel di salah satu ujungnya dengan plester yang memiliki lubang yang cukup besar sehingga memungkinkan gas masuk atau keluar dari tabung.

Ketika tabung diisi dengan gas H2, tingkat air di dalam tabung perlahan naik karena molekul H2 di dalam tabung terlepas melalui lubang di plester lebih cepat daripada molekul di udara yang bisa masuk ke dalam tabung. Dengan mempelajari tingkat di mana tingkat air dalam peralatan ini berubah, Graham dapat memperoleh data tentang tingkat di mana berbagai gas dicampur dengan udara.

Graham menemukan bahwa tingkat di mana gas berdifusi berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari kerapatannya.

equation

Hubungan ini akhirnya dikenal sebagai hukum perpecahan Graham.

Untuk memahami pentingnya penemuan ini, kita harus ingat bahwa volume gas yang sama banyak mengandung jumlah partikel yang sama. Akibatnya, jumlah mol gas per liter pada suhu dan tekanan tertentu konstan, yang berarti bahwa kerapatan gas berbanding lurus dengan berat molekulnya. Oleh karena itu, hukum Graham tentang difusi juga dapat ditulis sebagai berikut.

equation

Hasil serupa diperoleh saat Graham mempelajari laju efusi gas, yang merupakan tingkat di mana gas lolos melalui lubang jarum ke dalam ruang hampa udara. Tingkat efusi gas juga berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari kepadatan atau berat molekul gas.

equation

Hukum efusi Graham dapat ditunjukkan dengan aparatus pada gambar di bawah ini. Labu filter berdinding tebal dievakuasi dengan pompa vakum. Jarum suntik diisi dengan 25 mL gas dan waktu yang dibutuhkan gas untuk melepaskan diri melalui jarum suntik ke dalam labu saringan yang dievakuasi diukur dengan stop watch.

Seperti yang dapat kita lihat ketika data yang diperoleh dalam percobaan ini digambarkan pada gambar di bawah, waktu yang dibutuhkan untuk sampel 25 mL dari berbagai gas untuk melepaskan diri ke ruang hampa sebanding dengan akar kuadrat dari berat molekul gas. Tingkat di mana gas effuse oleh karena itu berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari berat molekul.

Pengamatan Graham tentang tingkat di mana gas menyebar (campuran) atau effuse (lolos melalui lubang jarum) menunjukkan bahwa partikel gas yang relatif ringan seperti molekul H2 atau atom He bergerak lebih cepat daripada partikel gas yang relatif berat seperti molekul CO2 atau SO2.

Teori Molekul Kinetik dan Hukum Graham

Teori molekuler kinetik dapat digunakan untuk menjelaskan hasil yang diperoleh Graham saat mempelajari difusi dan efusi gas. Kunci penjelasan ini adalah dalil terakhir dari teori kinetik, yang mengasumsikan bahwa suhu suatu sistem sebanding dengan energi kinetik rata-rata partikelnya dan tidak ada yang lain. Dengan kata lain, suhu suatu sistem meningkat jika dan hanya jika terjadi peningkatan energi kinetik rata-rata partikelnya.

Dua gas, seperti H2 dan O2, pada suhu yang sama, oleh karena itu harus memiliki energi kinetik rata-rata yang sama. Hal ini dapat ditunjukkan dengan persamaan berikut.

equation

Persamaan ini dapat disederhanakan dengan mengalikan kedua sisi menjadi dua.

equation

Kemudian dapat disusun kembali untuk memberikan yang berikut.

equation

Mengambil akar kuadrat dari kedua sisi persamaan ini memberikan hubungan antara rasio kecepatan di mana kedua gas bergerak dan akar kuadrat dari perbandingan berat molekulnya.

equation

Persamaan ini adalah bentuk modifikasi dari hukum Graham. Ini menunjukkan bahwa kecepatan (atau tingkat) di mana pergerakan molekul gas berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari berat molekulnya.

Koefisien ekspansi termal

Koefisien ekspansi termal daerah menghubungkan perubahan dimensi area material menjadi perubahan suhu. Ini adalah perubahan fraksional di daerah per derajat perubahan suhu. Mengabaikan tekanan, kita bisa menulis: αA=1AdAdTαA=1AdAdT, objek dan dA / dT adalah laju perubahan daerah per unit untuk suhu tersebut.

Perubahan dimensi linier dapat diperkirakan sebagai berikut: ΔAA=αAΔTΔAA=αAΔT. Persamaan ini bekerja dengan baik selama koefisien ekspansi linier tidak banyak berubah selama perubahan suhu ΔT. Jika ya, persamaan harus diintegrasikan.

Densitas Air sebagai Perubahan Suhu

Pada suhu di atas 4ºC (40ºF) air mengembang seiring dengan meningkatnya suhu (kerapatannya menurun). Namun, ia mengembang seiring dengan penurunan suhu saat berada di antara + 4ºC dan 0ºC (40ºF sampai 32ºF). Air terpadat di + 4ºC. Mungkin efek yang paling mencolok dari fenomena ini adalah pembekuan air di kolam.

Bila air di dekat permukaan mendingin sampai 4ºC, ia lebih padat daripada air yang tersisa dan dengan demikian akan tenggelam ke dasar. “Perputaran” ini menghasilkan lapisan air hangat di dekat permukaan, yang kemudian didinginkan. Akhirnya kolam memiliki suhu yang seragam 4ºC. Jika suhu di lapisan permukaan turun di bawah 4ºC, airnya kurang padat daripada air di bawahnya dan dengan demikian suhu berada di dekat bagian atas.

Akibatnya, permukaan kolam bisa membeku sepenuhnya, sedangkan bagian bawahnya tetap berada di suhu 4ºC. Es di atas air cair menyediakan lapisan isolasi dari suhu udara eksterior yang dingin di musim dingin. Ikan dan kehidupan air lainnya dapat bertahan di air 4ºC di bawah es, karena karakteristik air yang tidak biasa ini. Ini juga menghasilkan sirkulasi air di kolam yang diperlukan untuk ekosistem tubuh air yang sehat.

Pada awal abad ke-20, atom dianggap oleh banyak fisikawan konstruksi hipotetis murni, bukan benda nyata.  Yang berhasil membuat prediksi kuantitatif akurat berdasarkan teori kinetik.