Kinetische Gastheorie

Grundidee und Bedeutung

Die kinetische Gastheorie, früher auch dynamische Gastheorie genannt, ist ein Teilgebiet der statistischen Mechanik. Sie erklärt die Eigenschaften von Gasen und besonders die Gasgesetze dadurch, dass ein Gas aus einer sehr großen Zahl kleiner Teilchen besteht: Atomen oder Molekülen. Diese Teilchen sind ständig in Bewegung.

Damit liefert die Theorie eine mikroskopische Erklärung für Temperatur und Wärme. In der Thermodynamik werden diese Größen über ihre makroskopischen, also von außen messbaren Eigenschaften definiert; die kinetische Gastheorie führt sie auf das Verhalten der einzelnen Teilchen zurück.

Entwicklung der Theorie

Bereits im 17. Jahrhundert vermuteten Physiker wie Francis Bacon, Wärme sei eine Form der Bewegung. Daniel Bernoulli entwarf 1738 als Erster eine vollständigere Theorie. Weitere Beiträge kamen unter anderem von Michail Wassiljewitsch Lomonossow, Georges-Louis Le Sage, John Herapath und John James Waterston, deren Überlegungen zunächst weitgehend ignoriert wurden.

Ab 1860 wurde die Theorie durch Arbeiten von Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann breiter anerkannt. Sie blieb jedoch umstritten, sogar noch bis ins 20. Jahrhundert. Ernst Mach und Wilhelm Ostwald bestritten sie unter anderem, weil sie von der damals nur als Hypothese betrachteten Existenz von Atomen oder Molekülen abhängt.

Grundannahmen

Die Teilchen eines Gases haben vernachlässigbare Größe und bewegen sich ständig ungeordnet, jedoch statistisch fassbar. Zwischen Zusammenstößen bewegen sie sich gleichförmig, unabhängig voneinander und ohne Bevorzugung einer Richtung.

Solange die Teilchen einander nicht berühren, üben sie keine Kräfte aufeinander aus. Stöße zwischen Teilchen sowie mit der Gefäßwand sind elastische Stöße: Dabei gelten die Regeln des Gesetzes des elastischen Stoßes. An jedem Zusammenstoß sind immer nur zwei Teilchen beteiligt.

Folgerungen und reale Gase

Aus den Annahmen entstehen für ideale Gase Formeln zur Vorhersage von Druck, spezifischer Wärme, Schallgeschwindigkeit, Diffusion, Wärmeleitung und innerer Reibung. Ein ideales Gas ist dabei das Gasmodell, das diese Annahmen vollständig erfüllt.

Die Formeln stimmen bei vielen wirklichen Gasen gut mit Beobachtungen überein. Sie ermöglichten unter anderem erste Bestimmungen von Größe, Anzahl und Masse der Atome beziehungsweise Moleküle. Durch ergänzende Zusätze zu den Annahmen über Kräfte zwischen Teilchen und über Zusammenstöße lässt sich auch das abweichende Verhalten realer Gase berücksichtigen, etwa wie in der van der Waalsschen Zustandsgleichung beschrieben.