Кинетическая молекулярная теория, также известная как кинетическая теория газов, представляет собой мощную модель, которая стремится объяснять измеряемые характеристики газа с точки зрения мелкомасштабных движений газа частицы. Кинетическая теория объясняет свойства газа с точки зрения движения его частиц. Кинетическая теория основана на ряде предположений и поэтому является приближенной моделью.
Газы в кинетической модели считаются «идеальными». Идеальные газы состоят из молекул, которые движутся совершенно беспорядочно и никогда не прекращают движение. Все столкновения частиц газа полностью упругие, что означает отсутствие потерь энергии. (Если бы это было не так, молекулы газа в конечном итоге исчерпали бы энергию и скапливались бы на полу своих контейнер.) Следующее предположение состоит в том, что размер молекул незначителен, что означает, что они, по сути, не имеют нулевого диаметр. Это почти верно для очень маленьких одноатомных газов, таких как гелий, неон или аргон. Последнее предположение состоит в том, что молекулы газа не взаимодействуют, кроме как при столкновении. Кинетическая теория не рассматривает электростатические силы между молекулами.
У газа есть три основных свойства: давление, температура и объем. Эти три свойства связаны друг с другом и могут быть объяснены с помощью кинетической теории. Давление возникает из-за ударов частиц о стенку газового баллона. Нежесткий контейнер, такой как воздушный шар, будет расширяться до тех пор, пока давление газа внутри баллона не сравняется с давлением газа снаружи баллона. При низком давлении газа количество столкновений меньше, чем при высоком давлении. Повышение температуры газа в фиксированном объеме также увеличивает его давление, поскольку тепло заставляет частицы двигаться быстрее. Подобным образом увеличение объема, в котором может двигаться газ, снижает как его давление, так и температуру.
Роберт Бойль был одним из первых, кто обнаружил связь между свойствами газов. Закон Бойля гласит, что при постоянной температуре давление газа обратно пропорционально его объему. Закон Шарля после того, как Жак Шарль рассматривает температуру, обнаруживает, что при фиксированном давлении объем газа прямо пропорционален его температуре. Эти уравнения были объединены, чтобы сформировать уравнение состояния идеального газа для одного моля газа, pV = RT, где p - давление, V - объем, T - температура, а R - универсальная газовая постоянная.
Закон идеального газа хорошо работает при низком давлении. При высоких давлениях или низких температурах молекулы газа приближаются достаточно близко для взаимодействия; именно эти взаимодействия заставляют газы конденсироваться в жидкости, и без них все вещество было бы газообразным. Эти взаимодействия называются силами Ван-дер-Ваальса. Следовательно, уравнение идеального газа может быть изменено, чтобы включить компонент для описания межмолекулярных сил. Это более сложное уравнение называется уравнением состояния Ван-дер-Ваальса.