Ein mittlerer freier Weg ist die durchschnittliche Länge, die ein Partikel in einer Umgebung zurücklegen kann, bevor es kollidiert, von einem anderen Partikel absorbiert wird oder mit diesem reagiert. Der Begriff wird häufig verwendet, um das Verhalten von Gasen zu diskutieren, wurde aber auch in den Bereichen Schall und Licht verwendet. Man könnte die mittlere freie Weglänge eines Spielers in einem Fußballspiel berechnen. Relativ gesehen reist ein Sauerstoffmolekül in der Luft viel weiter, bevor es kollidiert als der Fußballspieler.
Gase sind ein Aggregatzustand, in dem die Moleküle so locker voneinander angezogen werden, dass sie frei fließen und das gesamte Volumen eines Behälters einnehmen. Das Volumen eines Gases ist das Volumen des Behälters. Gase lassen sich leicht komprimieren, expandieren und mischen. Gase sind aufgrund ihrer geringen Stoffkonzentration pro Volumeneinheit oder anders ausgedrückt aufgrund der langen mittleren freien Weglänge ihrer Moleküle oft unsichtbar.
In der Chemie sind Berechnungen der mittleren freien Weglänge nützlich, um das Verhalten von Gasreaktionen zu untersuchen. Der Wert des Pfades ist notwendigerweise das Ergebnis von Modellen, da es keine Möglichkeit gibt, ein einzelnes Molekül zu messen oder zu verfolgen. Wissenschaftler betrachten beobachtbare Parameter wie Volumen, Temperatur und Druck sowie die Größe der Moleküle im Gas und die Gaskonzentration, um das Verhalten von Gasmolekülen zu modellieren und daraus berechnete Werte abzuleiten.
Die Luftmoleküle haben bei Standardbedingungen von 1 Atmosphäre (14.7 Pfund pro Quadratzoll), 0°C (32°F) und einem angegebenen Moleküldurchmesser von 0.3 Nanometer, nm (1.2 x 10-8 Zoll), a berechnete mittlere freie Weglänge von 93 nm (3.6 x 10-6 Zoll). Die durchschnittliche molekulare Trennung wird bei 3.3 nm (1.3 x 10&supmin;&sup7; Zoll) berechnet. Wenn Fußballspieler so flink wie Atome wären, würde ihr mittlerer freier Weg ungefähr 800 Meter betragen, basierend auf einem American-Football-Feld. Natürlich sind Fußballspieler nicht gleichmäßig über das Spielfeld verteilt wie Gasmoleküle in einem Gehäuse.
In Schallstudien bezieht sich der mittlere freie Weg auf die durchschnittliche Entfernung, die ein Schallstrahl zurücklegt, bevor er von einem Hindernis reflektiert wird. Diese Berechnung ist wichtig in der Akustik und hängt vom Volumen eines Raumes und der Gesamtfläche der Wände, Decke und des Bodens des Raumes ab. Akustische Studien sind zwar kompliziert, aber quantifizierbar, da die Geschwindigkeit von Schallwellen unter einer Vielzahl von Bedingungen genau gemessen werden kann.
Untersuchungen der Lichtstreuung durch Gase oder Flüssigkeiten verwenden Streumittelwertberechnungen. Diese sind definiert als die durchschnittliche Distanz, die ein Photon zurücklegt, bevor ein Streuereignis aufgrund einer Kollision oder Absorption des Photons auftritt. Mit den Berechnungen können beispielsweise Wassertrübungen und Konzentrationen verschiedener Lösungen bestimmt werden. Teetrinker beobachten die Streuung des freien Mittelwerts, um festzustellen, ob ihr Tee ausreichend aufgebrüht wurde.