Grade 11

Grade 11Física térmicaKinetic theory of gases


Explicação cinética da temperatura


A interpretação cinética da temperatura é um conceito fundamental na teoria cinética dos gases, que fornece uma compreensão da natureza da temperatura em termos de movimento molecular. A ideia é conectar as propriedades macroscópicas dos gases, que medimos e observamos, com características microscópicas, que envolvem átomos ou moléculas individuais.

Introdução da temperatura na teoria cinética

Na vida cotidiana, a temperatura é uma medida de quão quente ou frio algo está. No entanto, na física, e especificamente na teoria cinética dos gases, a temperatura é vista como uma medida da energia cinética média das partículas em uma substância. Quando falamos sobre gases, lidamos com moléculas que se movem em direções aleatórias, colidindo entre si e com as paredes de seu recipiente. Quanto mais rápido essas moléculas se movem, mais energia elas têm e mais alta é a temperatura do gás.

Natureza dos gases e suas partículas

Para entender a interpretação cinética, primeiro devemos considerar o que é um gás. Um gás consiste em um grande número de pequenas partículas, sejam átomos ou moléculas, que estão muito distantes comparadas ao seu tamanho. Essas partículas estão em constante movimento aleatório e interagem umas com as outras por meio de colisões.

Imagine centenas de pequenas bolas em uma caixa quicando em todas as direções. Cada bola representa uma partícula de gás. Na realidade, essas "bolas" seriam nossas moléculas de gás, cada uma das quais se move a velocidades muito mais rápidas do que a escala de velocidade macroscópica que experimentamos como humanos. A velocidade e a direção do movimento de cada molécula mudam constantemente à medida que elas colidem umas com as outras e com as paredes do recipiente.

Exemplo visual: moléculas em movimento

Moléculas de Gás Imagine esses pontos vermelhos como moléculas de gás que são como pequenas bolas se movendo em diferentes direções.

O conceito de energia cinética

Energia cinética é a energia que um objeto possui devido ao seu movimento. Para uma partícula de gás com massa m e velocidade v, a energia cinética K pode ser expressa como:

k = (1/2)mv²
    

Esta fórmula básica mostra que a energia cinética aumenta com o aumento da massa e da velocidade das partículas. Em gases, como a massa de moléculas individuais é fixa, uma mudança de temperatura causa a mudança principalmente na velocidade.

Relação da temperatura com a energia cinética

Na teoria cinética dos gases, a temperatura está diretamente relacionada à energia cinética média das partículas do gás. A relação entre a temperatura T e a energia cinética média ⟨K⟩ é dada pela equação:

⟨K⟩ = (3/2)kT
    

onde k é a constante de Boltzmann, uma constante de proporcionalidade que relaciona a energia cinética média à temperatura absoluta.

Esta equação implica que um aumento na temperatura aumenta a energia cinética média das partículas do gás. Assim, quando você aquece um gás, está essencialmente aumentando a velocidade das moléculas.

Exemplo visual: distribuição de energia cinética

espaço Número de moléculas Moléculas em diferentes velocidades mostrando como a temperatura afeta a distribuição de energia cinética.

Lei dos gases ideais e teoria cinética

A lei dos gases ideais é uma equação que relaciona a pressão, volume, número de mols e temperatura de um gás. Ela é dada como:

PV = nRT
    

onde P é a pressão, V é o volume, n é a quantidade de substância em mols, R é a constante universal dos gases e T é a temperatura absoluta medida em Kelvin.

Em termos de teoria cinética, essa equação pode ser derivada considerando a pressão exercida pelas moléculas de gás quando colidem com as paredes de seu recipiente. A pressão é entendida como a força por unidade de área, e é produzida pela ação coletiva de muitas moléculas sobre uma unidade de área de superfície por segundo.

Explicação da pressão pela teoria cinética

A teoria cinética fornece informações microscópicas sobre a pressão, uma das propriedades macroscópicas mensuráveis dos gases. Supõe-se que a pressão do gás resulta da força exercida pelas moléculas ao colidirem com as superfícies de seu recipiente. Cada colisão de partícula adiciona uma pequena força, e a soma de todas essas forças produz a pressão observável.

Se o volume de um recipiente de gás for V e as partículas colidirem com as paredes com uma frequência e energia determinadas pela temperatura, a pressão pode ser expressa como:

p = (1/3) (n/v) m ⟨v²⟩
    

onde N é o número de moléculas, m é a massa de cada molécula e ⟨v²⟩ é a média das velocidades quadradas das partículas.

Exemplo visual: aumento de pressão

Partículas de gás Colisão com a parede -> pressão As moléculas colidem com as paredes, produzindo pressão.

Conclusão

A interpretação cinética da temperatura fornece uma explicação convincente para a velocidade média das moléculas em um gás. Ela destaca o conceito de que a temperatura não é simplesmente uma medida de calor, mas uma medida da energia cinética média das moléculas individuais do gás. Por meio do uso dos modelos e fórmulas fornecidos pela teoria cinética, os físicos ganharam uma melhor compreensão do comportamento dos gases que alinha com as observações diárias.

Finalmente, a teoria cinética dos gases forma uma ponte entre o mundo macroscópico, incluindo as leis dos gases que descrevem relações envolvendo pressão, volume e temperatura, e a perspectiva microscópica baseada no movimento e energia das partículas.


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