Dlaczego cząsteczki gazu się poruszają?

Pytanie

Pyta Mikołaj

Jak wiemy cząsteczki gazów drgają, a gdy zmieszany ze sobą dwa rodzaje cząsteczek wymieszaj się one, co jest skutkiem ich chaotycznego przemieszczania się. Moje pytanie jest następujące: skąd pochodzi energia, której efektem jest ów chaotyczny ruch oraz od czego zależy kierunek ruchu? Czy ma to coś wspólnego z oddziaływaniem chmury elektronów na jądro, a w rezultacie na zmiany kierunku ruchu?

Odpowiedź

Odpowiada dr Miłosz Panfil

Energia pochodzi od zderzeń z innymi cząstkami. Każde zderzenia jest procesem w trakcie którego cząsteczki wymieniają między sobą część energii. Jeżeli umieścimy nieruchomą cząsteczkę w gazie to po krótkiej chwili, w wyniku zderzeń z innymi cząsteczkami, nabierze ona prędkości i tym samym energii kinetycznej, kosztem pozostałych cząsteczek. Jej ruch będzie chaotyczny: czas, miejsce zderzenia i kierunek ruchu cząsteczek po zderzeniu są losowe.

Natomiast, skąd w ogóle bierze się ruch cząsteczek w gazie? Skoro cząsteczki się poruszają, to muszą mieć energię. Skąd ta energia się bierze? Całkowita energia jest zachowana, więc nie mogła po prostu powstać i w jakiś sposób musiała być dostarczona do gazu. Prostym sposobem na dostarczenie energii jest ogrzanie i temperatura gazu mówi nam właśnie o ilości energii kinetycznej. Im wyższa temperatura, tym większa energia kinetyczna i tym szybciej poruszają się cząsteczki. Gdy obniżamy temperaturę, ruch powoli ustaję. Gdybyśmy ochłodzili gaz do zerowej temperatury w skali Kelvina, to cząsteczki wykonywałyby tylko minimalny ruch wynikający z zasady nieoznaczoności Heisenberga. Byłyby nieruchome na tyle, na ile pozwala fizyka kwantowa.

Odnośnie pytania o zderzenia i co determinuję kierunek ruchu cząstek po zderzeniu, to faktycznie jest to głównie determinowane przez chwilowy stan elektronów w chmurze elektronowej. Duża ilość czynników która odgrywa rolę przy zderzeniu powoduje, że właściwie efekt zderzenia cząsteczek w gazie jest losowy.