分子动力学理论：历史，假设和例子 - 化学 - 2025

的分子运动论是一个寻求到从微观的角度解释气体的实验观察。也就是说，它试图将气态颗粒的性质和行为与作为流体的气体的物理特性联系起来；从微观上解释宏观。

气体由于其性质一直引起科学家的兴趣。它们占据了其所处容器的整个体积，能够被完全压缩而其内装物承受的阻力最小。如果温度升高，则容器开始膨胀，甚至可能破裂。

在远离或接近液化的条件下的气态颗粒。来源：Olivier Cleynen和用户：Sharayanan

理想的气体定律总结了许多这些特性和行为。但是，他们将气体视为一个整体，而不是散布在太空中的数百万个粒子的集合。此外，它没有基于压力，体积和温度数据提供有关这些粒子如何运动的进一步信息。

因此，分子动力学理论（TCM）提出将它们可视化为活动球体（上部图像）。这些球体彼此碰撞并与壁任意碰撞，并保持直线轨迹。然而，当温度降低且压力增加时，球的轨迹变得弯曲。

根据TCM，气体必须表现得像图像第一帧中的球形。但是，通过冷却并增加它们的压力，它们的行为远非理想。然后它们是真正的气体，接近液化，因此进入液相。

在这些条件下，球之间的相互作用变得更加重要，以至于它们的速度瞬间变慢。它们越接近液化，它们的轨迹就越弯曲（右图），并且它们的碰撞能量也较小。

历史

丹尼尔·伯努利

这些球体的概念，通常被称为原子，已经被罗马哲学家卢克雷修斯（Lucretius）考虑过; 不是用于气体，而是用于固体静态物体。另一方面，在1738年，丹尼尔·伯努利（Daniel Bernoulli）将原子视像应用于气体和液体，方法是将它们想象为向各个方向移动的无序球体。

但是，他的工作当时违反了物理定律；人体无法永远运动，因此不可能认为一组原子和分子会相互碰撞而不会失去能量。也就是说，不可能存在弹性碰撞。

鲁道夫·克劳修斯

一个世纪后，其他作者用一种模型进行了中药强化，该模型中气态颗粒仅沿一个方向移动。然而，鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）整理了他的结果，并建立了一个更完整的中医模型，他试图以此解释博伊尔，查尔斯，道尔顿和阿伏加德罗展示的理想气体定律。

詹姆斯·克莱克·麦克斯韦和路德维希·博尔兹曼

1859年，詹姆斯·克莱克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出，气态颗粒在给定温度下表现出一定范围的速度，可以通过平均分子速度来考虑其中的一组速度。

然后在1871年，路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）将现有的思想与熵联系起来，并且气体在热力学上总是总是以均匀和自发的方式占据尽可能多的空间。

分子动力学理论的假设

要考虑其颗粒中的气体，必须要有一个模型，其中必须满足某些假设或假设。假定逻辑上必须能够（尽可能忠实地）预测和解释宏观和实验观察。也就是说，提到并描述了中医假设。

气态颗粒的体积可忽略不计

在充满气体颗粒的容器中，这些颗粒在各个角落分散并相互远离。如果一会儿它们都可以在容器中的特定位置聚集在一起而没有液化，则可以观察到它们仅占容器体积的很小一部分。

这意味着即使该容器包含数百万个气态颗粒，其实际上也比充满的容器更空（容积-空隙比远小于1）。因此，如果其屏障允许，它及其内部的气体可能会突然压缩；因为最终颗粒很小，体积也很小。

容器中气体的体积-空隙关系。资料来源：加布里埃尔·玻利瓦尔（GabrielBolívar）。

上面的图像使用蓝色气体准确地说明了上述情况。

粒子之间的吸引力为零

容器内的气态颗粒相互碰撞而没有足够的时间使它们的相互作用获得强度。当主要围绕它们的是分子真空时，甚至更少。这样的直接后果是它们的线性路径使它们可以完全包围容器的体积。

如果不是这种情况，则由于气体凝结，具有“ bizarre”和“ labyrinthine”形状的容器将具有潮湿区域。取而代之的是，粒子以完全自由的方式行进通过整个容器，而没有相互作用的力将其阻止。

当相互作用为零或无关紧要时（A.，线性），以及当相互作用很重要时（B.，曲线），气态颗粒的轨迹。资料来源：加布里埃尔·玻利瓦尔（GabrielBolívar）。

上图（A.）的线性轨迹证明了这一假设；而如果轨迹是弯曲的（B.），则表明粒子之间存在无法忽略的相互作用。

气态颗粒始终在运动

从前两个假设出发，气体粒子永不停止移动的事实也趋于收敛。一旦在容器中模糊，它们就会相互碰撞，并与其壁碰撞，其力和速度与绝对温度成正比。这个力量就是压力。

如果气态颗粒暂时停止移动，则会在容器内看到“浓烟”，从无处冒出来，有足够的时间将其置于真空中并形成随机形状。

颗粒与容器壁之间的碰撞是弹性的

如果只有气态颗粒与容器壁之间的弹性碰撞在容器内部占主导地位，则不会发生气体凝结（只要物理条件不变）；或说他们从不休息并且一直在碰撞的意思是一样的。

这是因为在弹性碰撞中没有动能的净损失。粒子与墙壁碰撞并以相同速度反弹。如果一个粒子在碰撞时变慢，另一个会加速，而不会产生耗散其中任何一个的动能的热量或声音。

动能不能保持恒定

粒子的运动是随机且混乱的，因此并非所有粒子都具有相同的速度。就像在高速公路上或人群中一样。一些人精力充沛，旅行速度更快，而另一些人则慢一些，等待碰撞使它们加速。

为了描述其速度，有必要计算平均值。由此，依次获得气态颗粒或分子的平均动能。由于所有粒子的动能都在不断变化，因此求平均值可以更好地控制数据，并且可以提高可靠性。

所有气体的平均动能等于给定温度

容器中的平均分子动能（EC _mp）随温度变化。温度越高，能量越高。因为是平均值，所以可能存在相对于该值具有更多或更少能量的粒子或气体；分别快一些和慢一些。

从数学上可以看出，EC _mp完全取决于温度。这意味着无论气体是什么，其质量或分子结构如何，其EC _mp在温度T下都相同，并且只有在其增加或减少时才会变化。在所有假设中，这可能是最相关的。

那平均分子速度呢？与EC _mp不同，分子量确实会影响速度。气体颗粒或分子越重，自然会期望它运动得越慢。

例子

这里有一些简短的例子说明中医如何解释理想的气体定律。尽管没有解决，但其他现象，例如气体的扩散和渗出，也可以通过TCM进行解释。

博伊尔定律

如果容器的体积在恒定温度下压缩，则气态颗粒与壁碰撞所必须行进的距离会减小；等于增加这种碰撞的频率，从而导致更大的压力。由于温度保持恒定，因此EC _mp也恒定。

查尔斯·劳

如果增加T，则EC _mp将增加。气态颗粒会移动得更快，并与容器壁碰撞更多次；压力增加。

如果墙壁是柔性的，能够扩张，则它们的面积将变大，压力将下降，直到变得恒定为止。结果，音量也会增加。

道尔顿定律

如果从较小的容器中将几升不同的气体添加到一个宽敞的容器中，则其总内部压力将等于每种气体分别施加的分压之和。

为什么？因为所有气体开始相互碰撞并均匀分散。它们之间的相互作用为零，并且容器中的真空占主导地位（TCM假设），因此好像每种气体都是单独存在的，单独施加压力而不受其他气体的干扰。

参考文献

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