Kinetic Molecular Theory of Gases   기체 운동론, 기체 분자 운동론

1. 기체 분자 운동론 (Kinetic Theory of Gases) 이란?

  ㅇ 개별 분자들의 열운동을, 전체 기체의 압력,부피,온도와 평균적으로 연결시켜줌
     - 즉, 기체 분자들이 `일정 운동을 하는 입자들의 집합체`라는 관점으로부터 시작됨
     - 한편, 기체 분자를 고체,액체에도 확장시킨 것을, 분자 운동론 이라고 함

  ㅇ 고전적 통계역학으로써 완성된 이론 임
     - 기체의 압력, 금속의 열용량, 반도체 내 전자의 평균 이동 속도(캐리어 이동),
       저항체의 전기 열잡음과 같은 다양한 주제에 대해 이론적으로 설명하는 고전적 이론

     * 약 100여년에 걸쳐 발전하여, 1857년 Rudolf Clausius(1882~1888)에 의해 완성된 이론


2. 기본 가정 및 결론 요약

  ㅇ 매우 많은 분자로 구성된 기체
     - 무수히 많은 개별 입자들이, 고적역학 법칙을 따르면서, 끊임없이 무질서하게 움직임

  ㅇ 부피에 비해 분자 크기는 무시할 정도로 작음
     - ① 분자 간 인력,반발력 무시
        . 밀도가 낮은 기체 분자 간의 힘(인력,척력)은 작으므로, 
        . 오직 충돌 만이 분자 간 유일한 상호작용 임
     - ② 입자 간 구별 가능
        . 비록 각 입자의 특성은 동일하지만, 
        . 각 입자의 위치,경로,궤적에 의해 서로 구별 가능함
     * 대부분의 기체들이, 높은 온도와 낮은 압력 하에서 이상적인 행동을 함

  ㅇ 분자 간 상호작용은 오로지 탄성 충돌 만 관여함
     - 충돌 간에 운동에너지를 교환하며, 일정 온도 하에 평균 분자 운동에너지도 일정 예상
        . 즉, 충돌 전후에도 운동에너지는 변화하지 않고 일정함
     - 단, 병진 운동 만이 고려됨 (회전 운동,진동 무시)

  ※ 결론적으로, 분자 입자의 `평균 운동에너지`는 `절대 온도`에 비례함
     - 온도가 증가하면, 평균 운동에너지 및 속도가 증가


3. 기체운동론 결론식 

  ㅇ `온도`와  `운동에너지` 또는 `속도` 간의 관계성을 보여줌

     

     - R : 보편기체상수, k : 볼츠만상수, NA : 아보가드로 수,
       vrms : 평균 속도(RMS 속도)
 
  ※ 위 식의 유도는 ☞ 기체운동론 관련식 유도 참조


4. 기체법칙에 대한 기체운동론적인 설명

  ㅇ 일정 온도에서, 부피가 증가하면, 압력이 저하됨
     - 일정 온도에서 평균 운동에너지가 일정하게되므로, 
       부피가 커지면 충돌 회수가 적어지며, 결국 압력이 떨어짐

  ㅇ 일정 부피에서, 온도가 증가하면, 압력도 증가
     - 온도가 증가함에 따라 평균 운동에너지도 증가하며, 
       일정 부피에서 충돌 회수가 많아져, 결국 압력이 증가됨