Teoría cinética

La temperatura de un gas monoatómico es una medida relacionada con la energía cinética promedio de sus moléculas al moverse. En esta animación, la relación del tamaño de los átomos de helio respecto a su separación se conseguiría bajo una presión de 1950 atmósferas. Estos átomos a temperatura ambiente tienen una cierta velocidad media (aquí reducida dos billones de veces).

La teoría cinética de los gases es una teoría física y química que explica el comportamiento y propiedades macroscópicas de los gases ( ley de los gases ideales), a partir de una descripción estadística de los procesos moleculares microscópicos. La teoría cinética se desarrolló con base en los estudios de físicos como Daniel Bernoulli en el siglo XVIII, Ludwig Boltzmann y James Clerk Maxwell a finales del siglo XIX.

Esta rama de la física describe las propiedades térmicas de los gases. Estos sistemas contienen números enormes de átomos o moléculas, y la única forma razonable de comprender sus propiedades térmicas con base en la mecánica molecular, es encontrar determinadas cantidades dinámicas de tipo promedio y relacionar las propiedades físicas observadas del sistema con estas propiedades dinámicas moleculares en promedio. Las técnicas para relacionar el comportamiento macroscópico global de los sistemas materiales con el comportamiento promedio de sus componentes moleculares constituyen la mecánica estadística.

Historia

Portada de Hydrodynamica

Aproximadamente en el 50 a. C. el filósofo romano Lucretius propuso que los cuerpos macroscópicos, aparentemente estáticos, estaban compuestas a pequeña escala de átomos que se movían rápidamente despidiéndose unos de otros.[1] Este punto de vista atomista epicúreo fue raramente considerado en siglos posteriores, cuando las ideas aristotélicas eran las dominantes.

En 1738 Daniel Bernoulli publicó la obra Hydrodynamica, sentando las bases de la teoría cinética de los gases y planteando los argumentos, que todavía se utilizan hoy en día, de que los gases se componen de un gran número de moléculas que se mueven en todas las direcciones, que su impacto en una superficie causa la presión del gas que sentimos, y que lo que se experimenta en forma de calor es simplemente la energía cinética de su movimiento. La teoría no fue aceptada de inmediato, en parte debido a que la conservación de la energía todavía no se había establecido y a que los físicos no sabían cómo las colisiones entre moléculas podrían ser perfectamente elásticas.[2] :36-37

Otros pioneros de la teoría cinética (no considerados por sus contemporáneos) fueron Mikhail Lomonosov (1747),[6] que conectaron sus investigaciones con el desarrollo de las explicaciones mecánicas de la gravitación. En 1856, August Krönig (probablemente después de leer un artículo de Waterston) creó un modelo cinético simple de gas, que sólo consideraba el movimiento de traslación de las partículas.

En 1857 Rudolf Clausius, según sus propias palabras independientemente de Krönig, desarrolló una versión de la teoría similar, pero mucho más sofisticada, que incluía no solo movimientos moleculares translacionales, como Kronig, si no también rotacionales y vibracionales. En este mismo trabajo introdujo el concepto de camino libre medio de una partícula.[9]

En 1871, Ludwig Boltzmann generalizó los logros de Maxwell y formuló la distribución de Maxwell-Boltzmann. También afirmó por primera vez la conexión logarítmica entre la entropía y la probabilidad.

En el comienzo del siglo XX, sin embargo, muchos físicos empezaron a considerar que los átomos eran construcciones puramente hipotéticas, en lugar de objetos reales. Un importante punto de inflexión fueron los artículos sobre el movimiento browniano de Albert Einstein (1905)[11] que lograron hacer ciertas predicciones cuantitativas precisas basándose en la teoría cinética.

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