TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR DE LOS GASES IDEALES

 En 1738 Daniel Bernouilli dedujo la Ley de Boyle aplicando a las moléculas las leyes del movimiento de Newton, pero su trabajo fue ignorado durante más de un siglo.

Los experimentos de Joule demostrando que el calor es una forma de energía hicieron renacer las ideas sostenidas por Bernouilli y en el período entre 1848 y 1898, Joule, Clausius, Maxwell y Boltzmann desarrollaron la teoría cinético-molecular, también llamada teoría cinética de los gases, que se basa en la idea de que todos los gases se comportan de la misma manera en lo referente al movimiento molecular .

En 1905 Einstein aplicó la teoría cinética al movimiento browniano de una partícula pequeña inmersa en un fluido y sus ecuaciones fueron confirmadas por los experimentos de Perrín en 1908, convenciendo de esta forma a los energéticos de la realidad de los átomos. 

El comportamiento de los gases según la teoría cinética de la materia:

Toda la materia (solida, liquida y gaseosa) está formada por partículas en constante movimiento. A causa de este movimiento aleatorio las partículas de la materia tienen energía cinética. y de acuerdo a esto, se puede deducir: Entre menor sea la energía cinética menor será la temperatura absoluta y entre mayor sea la energía cinética mayor será la temperatura absoluta.
Otra opción para aproximarse al comportamiento de los gases: a través de la teoría atómica que postula, básicamente, que todas las sustancias están compuestas por un gran número de pequeñas partículas (moléculas o átomos). En principio, las propiedades observables de cualquier gas (presión, volumen y temperatura) están directamente ligadas a las moléculas que lo componen.
SE PUEDE DEDUCIR QUE: Entre menor sea la energía cinética menor será la temperatura absoluta y entre mayor sea la energía cinética mayor será la temperatura absoluta.
La teoría cinética de los gases utiliza una descripción molecular para explicar el comportamiento macroscópico de la materia y se basa en los siguientes postulados:

1.- Un gas consiste en un conjunto de pequeñas partículas que se trasladan con movimiento rectilíneo y obedecen las leyes de Newton.
2.-Las moléculas de un gas no ocupan volumen.
3.-Los choques entre las moléculas son perfectamente elásticos (esto quiere decir que no se gana ni se pierda energía durante el choque)
4.-No existen fuerzas de atracción ni de repulsión entre las moléculas.
5.-El promedio de energía cinética de una molécula es de 3kT/2 (siendo T la temperatura absoluta y k la constante de Boltzmann).

Algunos de los hechos experimentales que llevaron a cabo los científicos, se explican en la siguiente tabla:

Hecho	Teoría
Una muestra de gas de cualquier peso llenara uniformemente un recipiente cerrado. Si el recipiente es poroso, el gas escapa a través de los poros que no pueden verse en el microscopio	Los gases están constituidos por partículas llamadas moléculas, que tiene un movimiento rápido y desordenado. Una molécula se mueve en línea recta hasta que choca con otra o con las paredes del recipiente. Por ser pequeñas, pueden pasar atreves de poros minúsculos para salir del recipiente
El peso de una sustancia ocupa como gas un volumen que es mucho mayor que el que ocupa como líquido.	Las moléculas de un gas están muy separadas unas de otras a la temperatura y presión normales.
Un gas ejerce siempre una determinada presión sobre las paredes del recipiente cerrado que lo contiene. Mientras el volumen sea constante y no se gane  ni se pierda calor esta presión permanece constante por tiempo indefinido.	Las colisiones entre las moléculas son perfectamente elásticas; esto es no hay un cambio neto de energía cinética. Si se perdiera energía, la temperatura y la presión disminuirían.
En un recipiente cerrado de volumen constante, un gas ejerce cierta presión que es fija mientras la temperatura no cambie. Si se calienta el gas se eleva la presión. Si se enfría la presión disminuye.	A medida que la temperatura aumenta, las moléculas se mueven, mas rápido y chocan contra las paredes con mas fuerza y mas frecuencia. La energía cinética de las moléculas es directamente proporcional a la temperatura absoluta.
Si un gas se comprime, quizá enfriándolo al mismo tiempo, termina por licuarse.	Las moléculas de un gas si tiene cierta atracción mutua. Esta fuerza de atracción es suficiente para mantener las partículas en forma de líquido en ciertas condiciones.
Un cuerpo en movimiento como una pelota de golf o un martillo, tiene cierta cantidad de energía cinética que depende de dos factores: la masa de dicho cuerpo y su aceleración o velocidad; expresado matemáticamente: Ec = ½ m v2	El hecho de que la expresión: Ec = ½ m v2 sea cierta para todo tipo de cuerpo en movimiento es una buena razón para creer que también es cierta para las moléculas en movimiento de los gases
La evidencia experimental muestra que los gases densos se difunden con mayor lentitud que los gases menos densos a la misma temperatura.	A una determinada temperatura, las moléculas pesadas se mueven con mayor lentitud que las mas ligeras, sus energías cinéticas promedio son iguales
Un gas ejerce una presión uniforme (fuerza por unidad de área) sobre todas las paredes de un recipiente cerrado.	Las moléculas móviles chocan contra las paredes del recipiente en forma desordenada. La presión del gas es la suma de las presiones ejercidas por billones y billones de las moléculas móviles.
Cuando la presión que sobre él se ejerce cesa, el gas se expande	Las moléculas se mueven en forma desordenada y ejercen poca atracción entre sí. Si el espacio disponible aumenta, las moléculas se separan mas
El volumen de cierta cantidad de gas puede disminuirse por compresión	Las moléculas del gas se acercan a otras por efecto de un aumento de presión.

Movimiento Browniano

Uno de los fenómenos referentes al comportamiento de los gases que indica el camino más acertado para investigar su naturaleza es el movimiento browniano, observado en 1827 por el escocés Robert Brown y que consiste en una agitación aleatoria, en zigzag y permanentemente dependiente de la temperatura, ejecutada por las partículas que se hallan en suspensión en los líquidos o en los gases.

El movimiento browniano indica que existe una constante agitación de las moléculas que constituyen los cuerpos materiales, debido a que se encuentran formados por pequeñas partículas en movimiento incesante.

Recorrido de partículas en de zigzag aleatorio

Los postulados fundamentales son:

a) Las moléculas están en constante movimiento

b) El calor es una manifestación del movimiento de las moléculas

Algunos científicos sugirieron que el movimiento podría deberse a las colisiones entre las moléculas del agua y las partículas de polen, pero la teoría se detenía ahí.

El movimiento browniano es debido a las excitación térmica de las moléculas de agua. El movimiento se provoca en los granos de polen debido a la colisión entre una molécula de agua y polen, ya que esto requería que las moléculas de agua fueran muchísimo más grandes. Es más, cada pequeño movimiento de un grano de polen es el resultado de que muchas moléculas colisionen con él. En un tiempo dado, el efecto acumulado de estas colisiones se desequilibrará en una dirección, empujando en otra dirección aleatoria y así sucesivamente.

El descubrimiento del movimiento browniano permitió un desarrollo más profundo de la teoría cinética, ya que el movimiento de las partículas observadas del microscopio se interpretó como la ampliación del movimiento de las pequeñas moléculas invisibles a la lente, ya que la teoría cinética permite calcular entre otros múltiples resultados el número de moléculas contenidas en un volumen dado a cierta temperatura y presión para todos y cualquier gas.

Movimiento de las moléculas

Simulación del movimiento browniano

Deducción de la presión y temperatura, bajo esta teoría

A partir de la teoría cinética de la materia podemos deducir que la presión es el resultado de ejercer una fuerza sobre una superficie y en el caso de un sólido y un líquido altera su masa y volumen, mientras que en un gas al quitarle la presión este tiende a aumentar de masa siguiendo la ley de Boyle y Mariotte, que dice que al disminuir la presión ejercida por un gas, éste aumenta su volumen.

Cuando una sustancia absorbe una cierta cantidad de calor, la velocidad de sus moléculas aumentan y su temperatura se eleva. Dependiendo del calor especifico de la sustancia, la elevación de temperatura es directamente proporcional a la cantidad de calor suministrado e inversamente proporcional a la masa de la sustancia. Sin embargo, cuando un sólido se funde o cuando un líquido hierve  ocurre algo curioso. En estos casos, la temperatura permanece constante hasta que todo el sólido se funde o hasta que todo el líquido hierve.

En las condiciones apropiadas de temperatura y presión, todas las sustancias pueden existir en tres fases, sólida, líquida o gaseosa. En la fase sólida, las moléculas se mantienen unidas en una estructura cristalina  rígida, de tal modo que la sustancia tiene una forma y volumen definidos. A medida que se suministra calor, las energías de las partículas del sólido aumentan gradualmente y su temperatura se eleva. Al cabo del tiempo, la energía  cinética se vuelve tan grande que algunas de las partículas rebasan las fuerzas elásticas que las mantenían en posiciones fijas. La mayor separación entre ellas les da la libertad de movimiento que asociamos con la fase líquida. En este punto, la energía absorbida por la sustancia se usa para separar las moléculas que en la fase sólida. La temperatura no aumenta durante tal cambio de fase. El cambio de fase de sólido a líquido se llama fusión, y la temperatura la cual se produce este cambio se conoce como punto de fusión. 

Los tres estados físicos de la materia más habituales según la teoría cinética

 

Pero en conjunto estas dos propiedades de la materia, y en el caso específico del gas, cuando aumenta la temperatura del gas contenido en un recipiente, manteniendo constante el volumen, sus moléculas aumentan su velocidad media y chocan con más intensidad sobre las paredes del recipiente aumentando su presión.

Toda la materia (sólida, líquida, gaseosa) está formada por partículas en constante movimiento. A causa de este movimiento aleatorio las partículas de la materia tienen energía cinética y de acuerdo a esto, se puede deducir que:

• Entre menor sea la energía cinética será la temperatura absoluta y entre mayor sea la energía cinética, mayor será la temperatura absoluta.

Teoría Cinética de la Materia

Para poder entender más ampliamente sobre lo que estamos hablando debemos especificar algunas  cosas:

La materia existe en tres estados: sólido, líquido y gaseoso.

Las partículas están compuestas de átomos, moléculas o iones. Vamos a considerar cómo las fuerzas entre esas partículas de materia, y la energía que contienen, determina las propiedades de los sólidos, líquidos y gases.

Utilizaremos el término "molécula" en un sentido general (una partícula de sustancia, incluyendo átomos y iones).

Energía Cinética (la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada), ya que se encuentran en movimiento, y Energía Potencial (es la energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración. 

Puede pensarse como la energía almacenada en el sistema), porque su movimiento las mantiene separadas, a pesar de la atracción que intenta mantenerlas unidas.

Una teoría es una explicación probable de los fenómenos observados fundamentada en abundantes datos.

La teoría ayuda a explicar las propiedades de la materia, en términos de fuerzas entre las moléculas y la energía que tienen.

Los postulados del modelo cinético molecular son:

1. Toda la materia está constituida por pequeñas partículas llamadas moléculas.
   Las propiedades químicas de las moléculas dependen de su composición, mientras que las propiedades físicas dependen de las fuerzas que las moléculas ejercen entre sí y de la distancia que las separa.
2. Las moléculas se encuentran en continuo movimiento. El promedio de la energía cinética de las moléculas depende de la temperatura.

3. 

   Espacio intramolecular en estados sólido, líquido y gaseoso.

   Las moléculas obedecen las leyes del movimiento de Newton. En los choques entre las moléculas, su momento lineal y su energía cinética no cambian. Dichos choques son elásticos.
   
   
   *Para los gases:
4. La distancia entre las moléculas es muy grande comparada con sus dimensiones. Debido a ellos, las fuerzas intermoleculares son despreciables.
5. Las colisiones entre moléculas y con las paredes del recipiente son elásticas.
   *Para los líquidos:
6. La distancia entre moléculas es pequeña, pero estas no ocupan posiciones definidas. Existen fuerzas intermoleculares de atracción que son responsables de la estructura de los líquidos.
   *Para los sólidos
7. Las moléculas se encuentran también cercanas entre sí. Las fuerzas de atracción frecuentemente originan arreglos ordenados. Los movimientos moleculares están sumamente restringidos, y consisten primordialmente en vibraciones alrededor de puntos fijos.

González Cabrera Victor Manuel (2004), Física Fundamental. Progreso
Wayne E. Wentworth,S. Jules Ladner. Fundamentos de química física. Reverte