النظرية الحركية Kinetic Theory

نظرية تصف الخصائص الفيزيائية للمادة من خلال حركة الجزيئات المكونة لها ، و قد قام باقتراح هذه النظرية كل من كونت رمفورد و جيمس جول و جيمس كليرك ماكسويل . ففي حالة الغازات فإن هذه النظرية تصف سلوك الغاز من خلال افتراض نموذج للغاز بجانب عدد من الإفتراضات تتعلق بمسك الغاز ، و تتألف هذه النظرية من الفروض التالية :
1 – يتألف الغاز من جسيمات دقيقة ( دقائق ) تعرف بالجزيئات ، لكل منها كتلة معينة و حجم معين لا يختلفان للغاز الواحد و لكن يختلفان من غاز لآخر ، و تمتاز هذه الجسيمات بالحركة الدائمة العشوائية .
2 – تصطدم هذه الدقائق ببعضها البعض و بجدار الإناء الذي يحتويها باصطدامات تامة المرونة ، بمعنى أنها لا تؤدي إلى فقدان الغاز لأي من طاقته الحركية .
3 – يتناسب مجمل الطاقة الحركية لجميع الجزيبئات تناسبا طرديا مع درجة الحرارة المطلقة .
4 – تعتبر قيمة قوى التجاذب بين جزيئات الغاز في غاية الصغر و لذلك فهي مهملة .
5 – يمثل حجم الجزيء مقارنة بحجم الإناء الذي يشغله مقدارا صغيرا مهملا .
و حيث أن الغازات الحقيقية لا تخضع خضوعا تاما لهذه الفروض فلقد اتفق على وجود غاز افتراضي يخضع لتلك الفروض و هذا الغاز يعرف باسم الغاز المثالي .
ففي حالة الغازات فإن الضغط هو نتيجة لتصادمات جزيئات الغاز بجدران الواعاء الذي يحتويها ، فالضغط الناتج عن مول واحد من الغاز يحتوي على n من الجزيئات ، كل منها له كتله مقدارها m و محصورة في وعاء حجمه V ، يمكن حسابه من خلال العلاقة التالية :
p = nmĉ2/3V
حيث ĉ2 متوسط مربع سرعة الجزيء الواحد . و كما هو طبقا لقوانين الغاز لمول واحد من الغاز ، حيث pV=RT حيث T درجة الحرارة و R الثابت العام للغاز ، فإنه :
RT = nm ĉ2/3
لذلك فإن درجة حرارة الغاز تتناسب مع مربع سرعة جزيئاته ، و حيث أن معدل الطاقة الحركية لأنتقال الجزيئات يساوي mĉ2/2 فإن درجة الحرارة يمكن حسابها كما يلي :
T = (mĉ2/2)(2n/3R )
و حيث أن عدد الجزيئات في المول الواحد لأي غاز هو عدد أفوجادرو ، أي أن NA ، لذلك فإن n = NA ، و تسمى النسبة R/NA باسم ثابت بولتزمان و يرمز له بالرمز k .، لذلك فإن معدل الطاقة الحركية لأنتقال الجزيئات ذات المول الواحد لأي غاز يساوي 3kT/2 . و للغازات وحيدة الذرة فإن هذا يتناسب مع الطاقة الداخلية للغاز ( U ) ، أي أن :
U = NA3kT/2
وحيث أن k = R/NA ، فإن
U = 3RT/2
للغازات ثنائية الذرات و عديدة الذرات فإن طاقات الأنتقال و الإهتزاز تؤخذ بعين الإعتبار . أما في حالة السوائل و طبقا للنظرية الحركية فإن الذرات و الجزيئات تتحركك بصورة مستمرة و عشوائية مع الأخذ بعين الأعتبار تأثير درجة الحرارة حيث أن لها علاقة متوسط الطاقة الحركية ، فالجزيئات و الذرات في الحالة السائلة تكون قريبة من بعضها البعض بحيث يؤخذ بعين الاعتبار قوى التجاذب بين الجزيئات ، فالجزيئات التي تكون على السطح تكون مرتبطة مع السائل بنوع معين من الروابط و عند ارتفاع درجة الحرارة أو نتيجة لحركة الجزيئات السطحية بسرعة عالية فإنها تتحرر من تلك الرابطة و تتحرر بعيد عن السائل و بالتالي تنخفض متوسط الطاقة الحركية للجزيئات الباقية في السائل . و بالتالي و نتيجة لتبخر السائل فإن درجة حرارته تنخفض . في الحالة الصلبة ، فإن الذرات ، الأيونات و الجزيئات تهتز فقط ضمن مواقع محددة في الشبكة البلورية ، حيث تكون قوى التجاذب قوية جدا بحيث يستحيل حدوث أي حركة .