La teoria cinetica è una teoria scientifica sulla natura dei gas. La teoria ha molti nomi, tra cui la teoria cinetica dei gas, la teoria cinetico-molecolare, la teoria delle collisioni e la teoria cinetico-molecolare dei gas. Spiega le proprietà osservabili e misurabili, dette anche macroscopiche, dei gas in termini di composizione molecolare e attività. Mentre Isaac Newton ha teorizzato che la pressione di un gas è dovuta alla repulsione statica tra le molecole, la teoria cinetica sostiene che la pressione è il risultato di collisioni tra molecole.
La teoria cinetica fa una serie di ipotesi sui gas. Innanzitutto, un gas è costituito da particelle molto piccole, ciascuna con massa diversa da zero, che si muovono costantemente in modo casuale. Il numero di molecole in un campione di gas deve essere sufficientemente grande per il confronto statistico.
La teoria cinetica presuppone che le molecole di gas siano perfettamente sferiche ed elastiche e che anche le loro collisioni con le pareti del loro contenitore siano elastiche, il che significa che non comportano alcun cambiamento di velocità. Il volume totale delle molecole di gas è trascurabile rispetto al volume totale del loro contenitore, il che significa che c’è ampio spazio tra le molecole. Inoltre, il tempo durante la collisione di una molecola di gas con la parete del contenitore è trascurabile in relazione al tempo tra le collisioni con altre molecole. La teoria si basa inoltre sul presupposto che qualsiasi effetto relativistico o quantomeccanico sia trascurabile e che qualsiasi effetto delle particelle di gas l’una sull’altra sia trascurabile, ad eccezione della forza esercitata dalle collisioni. La temperatura è l’unico fattore che influenza l’energia cinetica media, o energia dovuta al movimento, delle particelle di gas.
Queste assunzioni devono essere mantenute affinché le equazioni della teoria cinetica funzionino. Un gas che soddisfa tutte queste ipotesi è un’entità teorica semplificata nota come gas ideale. I gas reali di solito si comportano in modo abbastanza simile ai gas ideali affinché le equazioni cinetiche siano utili, ma il modello non è perfettamente accurato.
La teoria cinetica definisce la pressione come la forza esercitata dalle molecole di gas quando entrano in collisione con la parete del contenitore. La pressione è calcolata come la forza per area, o P = F/A. La forza è il prodotto del numero di molecole di gas, N, della massa di ciascuna molecola, m, e del quadrato della loro velocità media, v2rms, tutte divise per tre volte la lunghezza del contenitore, 3l. Pertanto, abbiamo la seguente equazione per la forza: F = Nmv2rms/3l. L’abbreviazione, rms, sta per root-mean-square, una media della velocità di tutte le particelle.
L’equazione per la pressione è P = Nmv2rms/3Al. Poiché l’area moltiplicata per la lunghezza è uguale al volume, V, questa equazione può essere semplificata come P = Nmv2rms/3V. Il prodotto tra pressione e volume, PV, è pari ai due terzi dell’energia cinetica totale, o K, consentendo la derivazione delle proprietà macroscopiche da quelle microscopiche.
Una parte importante della teoria cinetica è che l’energia cinetica varia in proporzione diretta alla temperatura assoluta di un gas. L’energia cinetica è uguale al prodotto della temperatura assoluta, T, e della costante di Boltzman, kB, moltiplicato per 3/2; K = 3TkB/2. Pertanto, ogni volta che la temperatura viene aumentata, l’energia cinetica viene aumentata e nessun altro fattore ha un effetto sull’energia cinetica.