La teoría cinética molecular es la teoría que busca explicar las observaciones experimentales de los gases desde una perspectiva microscópica. Asocia la naturaleza y comportamiento de las partículas gaseosas, con las características físicas del gas como fluido, y explica lo macroscópico a partir de lo microscópico.
Los gases han sido objeto de interés para los científicos por sus propiedades. Ocupan todo el volumen del recipiente en el que se encuentran, pudiéndose comprimir completamente sin que su contenido oponga la menor resistencia, y si aumenta la temperatura, el recipiente comienza a expandirse, e incluso puede agrietarse.
Muchas de estas propiedades y comportamientos se resumen en las leyes de los gases ideales. Sin embargo, las leyes consideran el gas como un todo y no como un conjunto de millones de partículas dispersas en el espacio. Tampoco proporcionan, a partir de datos de presión, volumen y temperatura, mayor información respecto a cómo se desplazan estas partículas.
Por ello, la teoría cinética molecular (TCM) plantea visualizarlas como esferas móviles (imagen superior). Estas esferas colisionan entre sí y las paredes de manera arbitraria, y mantienen una trayectoria lineal. No obstante, cuando disminuye la temperatura y aumenta la presión, la trayectoria de las esferas se torna curva.
HISTORA
La idea básica de la teoría cinética de la materia es que la energía térmica está relacionada con la energía cinética de las moléculas en movimiento. Como veremos, esto es correcto. Esta idea se había sugerido frecuentemente antes de que resurgiera con fuerza a finales del siglo XIX. Sin embargo, hubo muchas dificultades que obstaculizaron su aceptación general. Algunas de estas dificultades merecen que las mencionemos brevemente. La teoría cinética es un ejemplo de una buena idea que no se acepta fácilmente por la comunidad científica o, si se prefiere, de sociología de la ciencia.
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| Daniel Bernoulli |
En 1738 Daniel Bernoulli demostró (era matemático y se lo podía permitir) que un modelo cinético podría explicar una propiedad de los gases muy conocida. Esta propiedad se describe como una variante de la ley de Boyle: siempre y cuando la temperatura no cambie, la presión del gas es proporcional a su densidad.
P ∝ D, si T es constante
Definimos la densidad, D, como la cantidad de masa (m) por unidad de volumen (V), D = m/V. Y, efectivamente, como habíamos expresado la ley de Boyle como P = a/V, si T es constante, entonces P = a D /m.
Bernoulli asumió que la presión de un gas es simplemente el resultado de los impactos de las moléculas individuales en la pared del contenedor. Si la densidad del gas fuera dos veces mayor, habría dos veces más moléculas por centímetro cúbico. Así, deducía Bernoulli, habría dos veces más moléculas golpeando la pared por segundo y por lo tanto la presión sería doble.
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| Isaac Newton en un grabado de 1748, que reproduce el retrato de G. Kneller de 1702. |
La propuesta de Bernoulli podría haber sido el primer paso hacia la moderna teoría cinética de los gases. Sin embargo, la idea fue ignorada (por no decir despreciada) por la comunidad científica en el siglo XVIII. Una razón no menor para ello fue que Newton había propuesto una teoría diferente en sus Principia (1687). Newton mostró que la ley de Boyle podría explicarse por un modelo en el cual las partículas en reposo ejercen fuerzas que repelen a las partículas vecinas. Newton no decía, en absoluto, que hubiese demostrado que los gases realmente están compuestos de esas partículas fijas mutuamente repulsivas. Pero eso daba igual. La mayoría de los científicos, impresionados por los descubrimientos de Newton, simplemente asumieron que su tratamiento de la presión del gas también era correcto.
Pero la idea era demasiado buena como para desaparecer así como así. La teoría cinética de los gases fue propuesta de nuevo en 1820 por el físico inglés John Herapath. Herapath, por su cuenta, redescubrió las conclusiones de Bernoulli sobre las relaciones entre la presión y la densidad, o el volumen, de un gas y las velocidades de las partículas. De nuevo, el trabajo de Herapath también fue ignorado por la mayoría de científicos.
La mayoría no son todos. James Prescott Joule vio el valor de la obra de Herapath. En 1848, leyó un artículo en la Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester en el que trataba de revivir la teoría cinética. Este artículo, también, fue ignorado por otros científicos. Quizás a ello contribuyó el hecho de que los físicos no suelen buscar documentos científicamente relevantes en las publicaciones de una «sociedad literaria y filosófica».
Sin embargo, las pruebas a favor de la equivalencia de calor y energía mecánica continuaban acumulándose. Como consecuencia varios otros físicos calcularon independientemente las consecuencias de la hipótesis de que la energía calorífica en un gas es explicada y dada por la energía cinética de sus moléculas.
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Rudolf Clauisus
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Rudolf Clausius,a la sazón profesor en el Politécnico de Zúrich, publicó un artículo en 1857 en Annalen der Physik titulado «La naturaleza del movimiento que llamamos calor», en el que desarrollaba un modelo cinético simple propuesto por Arthur Krönig. Este artículo estableció los principios básicos de la teoría cinética esencialmente en la forma aceptada hoy y lo cambió todo. Poco después, James Clerk Maxwell en Gran Bretaña y Ludwig Boltzmann en Austria desarrollarían los detalles matemáticos completos de la teoría.
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