Théorie cinétique moléculaire des gaz

La théorie cinétique des gaz est un modèle scientifique qui explique le comportement physique d’un gaz comme le mouvement des particules moléculaires qui le composent. Dans ce modèle, les particules submicroscopiques (atomes ou molécules) qui composent le gaz se déplacent continuellement dans un mouvement aléatoire, entrant constamment en collision non seulement les unes avec les autres mais aussi avec les parois de tout récipient dans lequel se trouve le gaz. C’est ce mouvement qui donne au gaz des propriétés physiques telles que la chaleur et la pression.

La théorie cinétique des gaz est également appelée théorie cinétique, ou modèle cinétique, ou modèle cinétique moléculaire. Elle peut également s’appliquer de nombreuses façons aux fluides comme aux gaz. (L’exemple du mouvement brownien, discuté ci-dessous, applique la théorie cinétique aux fluides).

Histoire de la théorie cinétique

Le philosophe grec Lucrèce était un partisan d’une forme précoce d’atomisme, bien que celle-ci ait été largement écartée pendant plusieurs siècles en faveur d’un modèle physique des gaz construit sur les travaux non atomiques d’Aristote. Sans une théorie de la matière sous forme de minuscules particules, la théorie cinétique ne s’est pas développée dans ce cadre aristotélicien.

Les travaux de Daniel Bernoulli ont présenté la théorie cinétique à un public européen, avec sa publication de 1738 de Hydrodynamica. À l’époque, même des principes comme la conservation de l’énergie n’avaient pas été établis, et donc beaucoup de ses approches n’ont pas été largement adoptées. Au cours du siècle suivant, la théorie cinétique a été plus largement adoptée par les scientifiques, dans le cadre d’une tendance croissante des scientifiques à adopter la vision moderne de la matière comme étant composée d’atomes.

L’une des clés de voûte de la confirmation expérimentale de la théorie cinétique, et l’atomisme est général, était liée au mouvement brownien. Il s’agit du mouvement d’une minuscule particule en suspension dans un liquide, qui, sous un microscope, semble se déplacer par à-coups aléatoires. Dans un article acclamé de 1905, Albert Einstein a expliqué le mouvement brownien en termes de collisions aléatoires avec les particules qui composent le liquide. Cet article est le résultat du travail de thèse de doctorat d’Einstein, où il a créé une formule de diffusion en appliquant des méthodes statistiques au problème. Un résultat similaire a été réalisé indépendamment par le physicien polonais Marian Smoluchowski, qui a publié ses travaux en 1906. Ensemble, ces applications de la théorie cinétique ont largement contribué à étayer l’idée que les liquides et les gaz (et, probablement aussi, les solides) sont composés de minuscules particules.

Hypothèses de la théorie cinétique moléculaire

La théorie cinétique implique un certain nombre d’hypothèses qui visent à pouvoir parler d’un gaz idéal.

• Les molécules sont traitées comme des particules ponctuelles. Plus précisément, cela implique que leur taille est extrêmement petite par rapport à la distance moyenne entre les particules.
• Le nombre de molécules (N) est très important, à tel point qu’il n’est pas possible de suivre le comportement des particules individuelles. Au lieu de cela, des méthodes statistiques sont appliquées pour analyser le comportement du système dans son ensemble.
• Chaque molécule est traitée comme identique à toute autre molécule. Elles sont interchangeables en fonction de leurs différentes propriétés. Cela contribue à nouveau à étayer l’idée qu’il n’est pas nécessaire de suivre les particules individuelles et que les méthodes statistiques de la théorie sont suffisantes pour parvenir à des conclusions et des prévisions.
• Les molécules sont en mouvement constant et aléatoire. Elles obéissent aux lois du mouvement de Newton.
• Les collisions entre les particules, et entre les particules et les parois d’un récipient pour le gaz, sont des collisions parfaitement élastiques.
• Les parois des conteneurs de gaz sont traitées comme parfaitement rigides, ne bougent pas et sont infiniment massives (par rapport aux particules).

Le résultat de ces hypothèses est que vous avez un gaz dans un conteneur qui se déplace de manière aléatoire à l’intérieur du conteneur. Lorsque les particules du gaz entrent en collision avec le côté du récipient, elles rebondissent sur le côté du récipient dans une collision parfaitement élastique, ce qui signifie que si elles frappent à un angle de 30 degrés, elles rebondissent à un angle de 30 degrés. La composante de leur vitesse perpendiculaire au côté du conteneur change de direction mais conserve la même amplitude.

La loi idéale sur le gaz

La théorie cinétique des gaz est importante, dans la mesure où l’ensemble des hypothèses ci-dessus nous conduisent à dériver la loi du gaz idéal, ou l’équation du gaz idéal, qui relie la pression (p), le volume (V) et la température (T), en termes de constante de Boltzmann (k) et de nombre de molécules (N). L’équation du gaz idéal qui en résulte est la suivante :

pV = NkT