
【化】 gas kinetics; kinetic theory of gases
gas
【化】 gas
【醫】 gas; pneuma-; pneumato-
act; move; stir; use
【醫】 kino-
frame of reference; theoretics; theorization; theory
【化】 Rice-Ramsperger-Kassel theoryRRK; theory
【醫】 rationale; theory
氣體動理論(Kinetic Theory of Gases)是從微觀分子運動角度解釋氣體宏觀性質的基礎物理理論。其核心思想為:氣體由大量無規則運動的微小粒子(分子或原子)構成,粒子間的碰撞及運動規律決定了氣體的溫度、壓強等宏觀特性。該理論對應的英文術語為"kinetic molecular theory",在漢英科學詞典中常表述為"氣體分子運動論"。
分子模型假設
氣體分子體積可忽略(視為質點),分子間作用力僅在碰撞時存在,且碰撞為完全彈性。這一假設源自James Clerk Maxwell和Ludwig Boltzmann的研究成果。
統計規律表達
理想氣體壓強公式為:
$$ P = frac{1}{3}nmbar{v} $$
其中$n$為分子數密度,$m$為分子質量,$bar{v}$為分子速率平方的平均值。該公式由牛津大學出版社《熱物理學基礎》第3章推導得出。
溫度與動能關系
氣體溫度$T$與分子平均動能的關系式為:
$$ frac{3}{2}k_B T = frac{1}{2}mbar{v} $$
式中$k_B$為玻爾茲曼常數,該公式被收錄于劍橋大學《分子動理論》課程大綱。
該理論成功解釋了擴散、熱傳導等輸運現象,并推導出氣體定律(如玻意耳定律、查理定律)的微觀機制。其實驗驗證包括布朗運動觀測(1827年植物學家Robert Brown發現)和分子速率分布實驗(斯特恩實驗,1920年)。
氣體動理論(又稱氣體分子運動論)是研究氣體宏觀性質與微觀分子運動規律之間關系的理論。它通過分析大量氣體分子的無規則運動及相互作用,揭示壓強、溫度等宏觀量的微觀本質。以下是其核心内容:
壓強的微觀解釋
壓強源于分子對容器壁的頻繁碰撞。公式為:
$$p = frac{1}{3}nmoverline{v}$$
其中 (n) 為分子數密度,(m) 為分子質量,(overline{v}) 為分子速率平方的平均值。
溫度的微觀意義
溫度反映分子熱運動的劇烈程度。理想氣體的溫度公式為:
$$frac{3}{2}kT = frac{1}{2}moverline{v}$$
(k) 為玻爾茲曼常數,表明溫度與分子平均動能成正比。
能量均分定理
每個自由度均分 (frac{1}{2}kT) 的能量。例如,單原子分子(3個平動自由度)的平均動能為 (frac{3}{2}kT)。
通過氣體動理論,宏觀現象(如熱傳導、擴散)得以從微觀角度定量描述,成為統計物理學的基石之一。
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