La théorie cinétique est une théorie scientifique concernant la nature des gaz. La théorie porte de nombreux noms, notamment la théorie cinétique des gaz, la théorie cinétique-moléculaire, la théorie des collisions et la théorie cinétique-moléculaire des gaz. Il explique les propriétés observables et mesurables, également appelées macroscopiques, des gaz en fonction de leur composition moléculaire et de leur activité. Alors qu’Isaac Newton a théorisé que la pression d’un gaz est due à la répulsion statique entre les molécules, la théorie cinétique soutient que la pression est le résultat de collisions entre les molécules.
La théorie cinétique fait un certain nombre d’hypothèses sur les gaz. Premièrement, un gaz est composé de très petites particules, chacune de masse non nulle, se déplaçant constamment de manière aléatoire. Le nombre de molécules dans un échantillon de gaz doit être suffisamment grand pour une comparaison statistique.
La théorie cinétique suppose que les molécules de gaz sont parfaitement sphériques et élastiques, et que leurs collisions avec les parois de leur récipient sont également élastiques, ce qui signifie qu’elles n’entraînent aucun changement de vitesse. Le volume total des molécules de gaz est négligeable par rapport au volume total de leur conteneur, ce qui signifie qu’il y a suffisamment d’espace entre les molécules. De plus, le temps pendant la collision d’une molécule de gaz avec la paroi du conteneur est négligeable par rapport au temps entre les collisions avec d’autres molécules. La théorie repose en outre sur l’hypothèse que tous les effets relativistes ou quantiques sont négligeables, et que tous les effets des particules de gaz les unes sur les autres sont négligeables, à l’exception de la force exercée par les collisions. La température est le seul facteur affectant l’énergie cinétique moyenne, ou l’énergie due au mouvement, des particules de gaz.
Ces hypothèses doivent être maintenues pour que les équations de la théorie cinétique fonctionnent. Un gaz remplissant toutes ces hypothèses est une entité théorique simplifiée connue sous le nom de gaz parfait. Les gaz réels se comportent généralement de manière assez similaire aux gaz idéaux pour que les équations cinétiques soient utiles, mais le modèle n’est pas parfaitement précis.
La théorie cinétique définit la pression comme la force exercée par les molécules de gaz lorsqu’elles entrent en collision avec la paroi du conteneur. La pression est calculée comme la force par zone, ou P = F/A. La force est le produit du nombre de molécules de gaz, N, de la masse de chaque molécule, m, et du carré de leur vitesse moyenne, v2rms, le tout divisé par trois fois la longueur du récipient, 3l. Par conséquent, nous avons l’équation suivante pour la force : F = Nmv2rms/3l. L’abréviation, rms, représente la moyenne quadratique, une moyenne de la vitesse de toutes les particules.
L’équation de la pression est P = Nmv2rms/3Al. Puisque la surface multipliée par la longueur est égale au volume, V, cette équation peut être simplifiée comme P = Nmv2rms/3V. Le produit de la pression et du volume, PV, est égal aux deux tiers de l’énergie cinétique totale, ou K, permettant la dérivation de propriétés macroscopiques à partir d’une microscopique.
Une partie importante de la théorie cinétique est que l’énergie cinétique varie en proportion directe de la température absolue d’un gaz. L’énergie cinétique est égale au produit de la température absolue, T, et de la constante de Boltzman, kB, multiplié par 3/2 ; K = 3TkB/2. Par conséquent, chaque fois que la température augmente, l’énergie cinétique augmente et aucun autre facteur n’a d’effet sur l’énergie cinétique.