Un cammino libero medio è la lunghezza media che una particella può percorrere in un ambiente prima di scontrarsi, essere assorbita o reagire con un’altra particella. Il termine è spesso usato per discutere il comportamento dei gas, ma è stato anche applicato nei campi del suono e della luce. Si potrebbe calcolare il percorso libero medio di un giocatore in una partita di calcio. Su base relativa, una molecola di ossigeno viaggia molto più lontano nell’aria prima di scontrarsi di quanto non faccia il giocatore di football.
I gas sono uno stato o una condizione della materia in cui le molecole sono così debolmente attratte l’una dall’altra che scorrono liberamente e occuperanno l’intero volume di un contenitore. Il volume di un gas è il volume del contenitore. I gas sono facilmente compressi, espansi e miscelati. I gas sono spesso invisibili a causa della loro bassa concentrazione di materia per unità di volume o, detto diversamente, del lungo cammino libero medio delle loro molecole.
In chimica, i calcoli del cammino libero medio sono utili per studiare il comportamento della reazione del gas. Il valore del percorso è, necessariamente, il risultato di modelli, poiché non c’è modo di misurare o tracciare una molecola. Gli scienziati esaminano i parametri osservabili come volume, temperatura e pressione, nonché la dimensione delle molecole nel gas e la concentrazione di gas per modellare il comportamento delle molecole di gas e ricavare i valori calcolati.
Le molecole d’aria, alle condizioni standard di 1 atmosfera (14.7 libbre per pollice quadrato), 0°C (32°F) e un diametro molecolare dichiarato di 0.3 nanometri, nm, (1.2 x 10-8 pollici), hanno un percorso libero medio calcolato di 93 nm (3.6 x 10-6 pollici). La separazione molecolare media è calcolata a 3.3 nm (1.3 x 10-7 pollici). Se i giocatori di football fossero agili come atomi, il loro percorso libero medio sarebbe di circa 800 piedi (244 metri), basato su un campo di football americano. Naturalmente, i giocatori di calcio non sono distribuiti uniformemente sul campo come le molecole di gas all’interno di un recinto.
Negli studi sul suono, il percorso libero medio si riferisce alla distanza media percorsa da un raggio sonoro prima di essere riflesso da un ostacolo. Questo calcolo è importante in acustica e dipende dal volume di una stanza e dalla superficie totale delle pareti, del soffitto e del pavimento della stanza. Gli studi acustici, sebbene complicati, sono quantificabili, poiché la velocità delle onde sonore può essere misurata con precisione in una varietà di condizioni.
Gli studi sulla diffusione della luce attraverso gas o liquidi utilizzano calcoli del percorso libero medio di scattering. Questi sono definiti come la distanza media percorsa da un fotone prima che si verifichi un evento di scattering dovuto alla collisione o all’assorbimento del fotone. I calcoli possono essere utilizzati per determinare cose come la torbidità dell’acqua e le concentrazioni di varie soluzioni. I bevitori di tè stanno osservando il percorso medio libero di dispersione per determinare se il loro tè è stato preparato a sufficienza.