气体动力学理论是一种科学模型,它将气体的物理行为解释为组成气体的分子粒子的运动。在这个模型中,构成气体的亚微观粒子(原子或分子)以随机运动的方式不断移动,不仅彼此不断碰撞,而且还与气体所在的任何容器的侧面不断碰撞。正是这种运动导致了气体的物理性质,如热量和压力。
气体动力学理论也称为动力学理论,或动力学模型,或动力学分子模型。它也可以在许多方面应用于流体和气体。(下面讨论的布朗运动示例将动力学理论应用于流体。)
希腊哲学家卢克雷修斯是原子主义早期形式的支持者,尽管这一形式在几个世纪以来基本上被抛弃,取而代之的是建立在亚里士多德非原子工作基础上的气体物理模型。如果没有将物质视为微小粒子的理论,动力学理论就无法在亚里士多德的框架内发展。
丹尼尔·伯努利(Daniel Bernoulli)的作品在1738年出版的《流体力学》(Hydrodynamica)一书中向欧洲观众介绍了动力学理论。当时,甚至像能量守恒这样的原理都还没有建立起来,因此他的许多方法没有被广泛采用。在接下来的一个世纪里,动力学理论在科学家中得到了更广泛的应用,这是科学家采用由原子组成的现代物质观的发展趋势的一部分。
实验证实动力学理论的关键之一,原子论是普遍的,与布朗运动有关。这是一个悬浮在液体中的微小颗粒的运动,在显微镜下,它似乎随机地抖动。在1905年的一篇广受好评的论文中,阿尔伯特·爱因斯坦用与构成液体的粒子的随机碰撞来解释布朗运动。这篇论文是爱因斯坦博士论文工作的结果,他通过将统计方法应用于这个问题,创建了一个扩散公式。波兰物理学家玛丽安·斯莫卢乔夫斯基(Marian Smoluchowski)也独立得出了类似的结果,他于1906年发表了自己的研究成果。这些动力学理论的应用在很大程度上支持了液体和气体(很可能还有固体)是由微小粒子组成的观点。
动力学理论涉及到许多假设,这些假设集中于能够谈论理想气体。
这些假设的结果是,容器内有一种气体在容器内随机移动。当气体粒子与容器侧面碰撞时,它们会以完美的弹性碰撞方式从容器侧面反弹,这意味着如果它们以30度角撞击,它们将以30度角反弹。垂直于容器侧面的速度分量改变方向,但保持相同的大小。
气体动力学理论非常重要,因为上面的一系列假设使我们导出了理想气体定律或理想气体方程,该定律与压力(p)、体积(V)和温度(T)有关,与波尔兹曼常数(k)和分子数(N)有关。由此得出的理想气体方程为:
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