分子動力学理論：歴史、仮定および例 - 化学 - 2025

分子運動論が求めているものですし微視的な観点からのガスの実験観察を説明します。つまり、気体粒子の性質と動作を、流体としての気体の物理的特性と関連付けようとします。ミクロからマクロを説明します。

ガスはその特性のために常に科学者の関心を集めてきました。それらはそれらが置かれている容器の全容積を占め、その内容物が最小の抵抗を提供することなく完全に圧縮することができる。温度が上昇すると、コンテナが膨張し始め、ひび割れを起こす可能性もあります。

液状化から遠い、または近い状態のガス状粒子。出典：Olivier Cleynenおよびユーザー：Sharayanan

これらのプロパティと動作の多くは、理想気体の法則にまとめられています。しかし、彼らはガスを空間全体に散らばった何百万もの粒子の集まりではなく、全体として考えています。さらに、圧力、体積、および温度のデータに基づいて、これらの粒子がどのように移動するかに関する詳細な情報は提供されません。

したがって、分子動力学理論（TCM）は、それらを可動性の球として視覚化することを提案します（上図）。これらの球は相互に衝突し、壁は任意に衝突し、線形の軌道を維持します。ただし、温度が下がり、圧力が上がると、球の軌道は湾曲します。

TCMによると、ガスは画像の最初のフレームの球のように動作する必要があります。しかし、それらを冷却して圧力を上げることにより、それらの動作は理想からほど遠くなります。次に、それらは実際のガスであり、液化を起こしかけているため、液相になります。

これらの条件下では、球体間の相互作用がより重要になり、球体の速度が一時的に遅くなります。彼らが液化に近づくほど、彼らの軌道はより湾曲し（右側の挿入図）、それらの衝突はよりエネルギッシュではなくなります。

歴史

ダニエル・ベルヌーイ

これらの球体、より原子と呼ばれる概念は、ローマの哲学者ルクレティウスによってすでに検討されていました。気体ではなく、固体の静的な物体用です。一方、1738年にダニエルベルヌーイは、ガスと液体を無秩序な球体がすべての方向に移動することを想像して、原子のビジョンをガスと液体に適用しました。

しかし、彼の研究は当時の物理法則に違反していた。体は永遠に動くことができなかったので、一連の原子と分子がそれらのエネルギーを失うことなく互いに衝突すると考えることは不可能でした。つまり、弾性衝突の存在は不可能でした。

ルドルフ・クラウジウス

1世紀後、他の著者は、ガス粒子が一方向にのみ移動するモデルでTCMを強化しました。しかし、ルドルフ・クラウジウスは彼の結果をまとめ、TCMのより完全なモデルを組み立て、それを使ってボイル、チャールズ、ダルトン、およびアボガドロが示した理想的なガスの法則を説明しようとしました。

ジェームズクラークマクスウェルとルートヴィヒボルツマン

1859年、ジェームズクラークマクスウェルは、ガス状粒子が特定の温度でさまざまな速度を示すこと、およびこれらのセットは平均分子速度によって考慮できることを提案しました。

その後1871年、ルートヴィヒボルツマンは既存のアイデアをエントロピーと結びつけ、ガスが熱力学的に常に均一かつ自発的な方法で可能な限り多くのスペースを占める傾向があることを示しました。

分子動力学理論の仮定

粒子からのガスを考慮するには、特定の仮定または仮定が満たされるモデルが必要です。論理的に巨視的および実験的観察を（可能な限り忠実に）予測および説明できる必要があると仮定します。とはいえ、TCMの前提条件が言及され、説明されています。

気体粒子の体積はごくわずかです

気体の粒子で満たされた容器内で、これらは分散し、すべてのコーナーで互いに離れます。しばらくの間、それらがすべて液化せずにコンテナ内の特定のポイントでまとめられた場合、それらはコンテナの体積のごくわずかな部分しか占めないことがわかります。

これは、何百万ものガス状粒子が含まれていても、実際には容器が満タンよりも空であることを意味します（体積-空隙率は1をはるかに下回ります）。したがって、もしその障壁がそれを許すなら、それとその中のガスは突然に圧縮される可能性があります。結局のところ、粒子は非常に小さく、その体積も同様です。

コンテナ内のガスのボリュームとボイドの関係。出典：ガブリエルボリバル

上の画像は、青みがかったガスを使用して上記を正確に示しています。

粒子間の引力はゼロ

コンテナ内部のガス状粒子は、相互作用して強度を得るのに十分な時間をかけずに互いに衝突します。それらを主に取り囲んでいるものが分子真空である場合、さらに少ない。これの直接の帰結は、それらの直線経路がそれらが容器の容積を完全に取り囲むことを可能にすることです。

これが当てはまらない場合、「奇妙な」「迷路のような」形状のコンテナは、ガスの凝縮の結果として湿気の多い領域になります。代わりに、粒子は相互作用の力で粒子を止めることなく、完全に自由にコンテナ全体を移動します。

相互作用がヌルまたは取るに足らない場合（A.、線形）、およびそれらが重要な場合（B.、曲線）の気体粒子の軌跡。出典：ガブリエルボリバル

上の画像（A.）の線形軌跡は、この仮定を示しています。一方、軌道が湾曲している場合（B.）、粒子間に無視できない相互作用があることを示しています。

気体粒子は常に動いています

最初の2つの仮定から、ガス粒子の移動が止まらないという事実も収束します。コンテナ内でぼやけた後、絶対温度に正比例する力と速度で、それらは互いに衝突し、壁と衝突します。この力は圧力です。

気体の粒子が一瞬移動しなくなった場合、真空中に配置してランダムな形状を与えるのに十分な時間を置いて、どこからともなく出現する「煙の舌」がコンテナ内部で目撃されます。

粒子とコンテナの壁の間の衝突は弾性です

ガス粒子とコンテナの壁の間の弾性衝突のみがコンテナ内で支配的である場合、ガスの凝縮は決して起こりません（物理的条件が変化しない限り）。または、彼らが休むことはなく、常に衝突していると言っているのと同じです。

これは、弾性衝突では運動エネルギーの正味の損失がないためです。パーティクルは壁に衝突し、同じ速度で跳ね返ります。衝突時に粒子が減速すると、もう一方は加速しますが、どちらかの運動エネルギーを散逸させる熱や音は発生しません。

運動エネルギーは一定のままではありません

粒子の動きはランダムで無秩序なので、すべてが同じ速度であるとは限りません。たまたまそうなのですが、たとえば、高速道路や人混みの中です。よりエネルギーがあり、より速く移動するものもあれば、衝突を待って加速するのを待っているものもあります。

その速度を説明するには、平均を計算する必要があります。これにより、気体の粒子または分子の平均運動エネルギーが順に得られます。すべての粒子の運動エネルギーは常に変化しているため、平均化によりデータの制御が向上し、信頼性を高めることができます。

平均運動エネルギーは、すべてのガスの特定の温度に等しい

コンテナー内の平均分子運動エネルギー（EC _mp）は、温度によって変化します。温度が高いほど、エネルギーは高くなります。これは平均値であるため、この値よりも高いまたは低いエネルギーを持つ粒子またはガスが存在する可能性があります。それぞれ、より速いものと遅いものがあります。

EC _mpはもっぱら温度に依存することを数学的に示すことができます。これは、ガスが何であるかに関係なく、その質量または分子構造に関係なく、そのEC _mpは温度Tで同じであり、増加または減少した場合にのみ変化することを意味します。すべての仮定の中で、これがおそらく最も関連性があります。

そして、平均分子速度はどうですか？EC _mpとは異なり、分子量は速度に影響します。ガスの粒子または分子が重いほど、ゆっくりと移動することが予想されます。

例

ここでは、TCMが理想的なガスの法則を説明する方法を簡単に説明します。対処されていませんが、ガスの拡散や流出などの他の現象もTCMで説明できます。

ボイルの法則

一定の温度でコンテナの容積が圧縮されると、ガス状粒子が壁と衝突するために移動しなければならない距離が短くなります。これは、このような衝突の頻度が増加することに等しく、圧力が高くなります。温度が一定であるため、EC _mpも一定です。

チャールズ・ロウ

Tを大きくすると、EC _mpが大きくなります。ガス状粒子はより速く移動し、コンテナの壁に何度も衝突します。圧力が増加します。

壁が柔軟で拡張できる場合、その面積は大きくなり、圧力が一定になるまで低下します。その結果、ボリュームも増加します。

ダルトンの法則

小さな容器からの数リットルの異なるガスが広々とした容器に追加された場合、その総内圧は、各タイプのガスによって個別に加えられた分圧の合計に等しくなります。

どうして？すべてのガスが互いに衝突し始め、均一に分散し始めるためです。それらの間の相互作用はゼロであり、真空はコンテナ内で優勢であり（TCM仮定）、各ガスが単独であるかのように、他のガスの干渉なしに個別にその圧力を発揮します。

参考文献

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