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分子運動論

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

分子運動論ぶんしうんどうろん)は、気体分子運動エネルギーについての論議。

19世紀半ばからマクスウェルボルツマンらによって研究され、分子の力学から理想気体の性質を説明するのに成功した。さらに熱力学を分子論的に説明する統計力学の基礎となった。

分子あたりの質量mである単原子分子の気体の入った一辺Lの立方体においてx軸、y軸、z軸を考える。 ここである一分子の速さ\, vとして、その速さのx成分を\, v_xとするとその分子の持つx成分の運動量\, mv_xとなる。これが立方体の壁に1回弾性衝突したとすると分子が壁に与える力積\, 2mv_xとなる。また十分な長さの時間tを取ったとき、tの間にこの分子が立方体の一つの面に衝突する回数は

v_xt \over {2L}

となるからこの間に与える力積は

F_xt = 2mv_x \cdot {v_xt \over 2L}

だから、力の大きさは

F_x = {{m{v_x}^2} \over L}

またここでy軸方向、z軸方向についても考える。yz両軸についてもx軸方向と同様に考えられるから、v_x \, = v_y = v_zと言える。よってv^2 \, = 3{v_x}^2とおけるから、力の大きさは

F = {{m3{v_x}^2} \over {3L}} = {{mv^2} \over {3L}}

ここで分子数を1つからN個にすると速さの平均をとって、力の大きさは

F = {{Nm \bar{v^2}} \over {3L}}

となる。立方体の一つの面に対する力の大きさがFだから、その壁にかかる圧力

P = {F \over {L^2}} = {{Nm \bar{v^2}} \over {3L^3}}

この立方体の体積VL3より

P = {{Nm \bar{v^2}} \over {3V}}

この気体のモル数nとし、気体の状態方程式より

PV = {{Nm \bar{v^2}} \over 3} = nRT

(R:気体定数T:絶対温度) アボガドロ定数NAすると、

n = {N \over {N_A}}

だから

{{Nm \bar{v^2}} \over 3} = {{N \over {N_A}} \cdot RT}
{1 \over 2}m \bar{v^2} = {{3 \over 2}{R \over {N_A}}T}

これが気体の運動エネルギーとなり、

k = {R \over {N_A}}

とおいて、このkボルツマン定数と呼び、運動エネルギーは

{1 \over 2}m \bar{v^2} = {3 \over 2}kT

となる。

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