Nếu người ta có thể quan sát một chất khí dưới kính hiển vi mạnh, người ta sẽ thấy một tập hợp các hạt (phân tử, nguyên tử, ion, electron, v.v.) không có bất kỳ hình dạng hoặc thể tích xác định nào đang chuyển động ngẫu nhiên ít nhiều. Các hạt khí trung hòa này chỉ đổi hướng khi chúng va chạm với một hạt khác hoặc với các mặt của vật chứa. Trong chất khí lý tưởng, các va chạm này có tính đàn hồi hoàn hảo. Hình ảnh hạt hoặc hình ảnh vi mô này của một chất khí được mô tả bởi lý thuyết động học-phân tử. Các giả định đằng sau lý thuyết này có thể được tìm thấy trong phần định đề của lý thuyết động học.

Lý thuyết động học

Lý thuyết động học cung cấp cái nhìn sâu sắc về các tính chất vĩ mô của chất khí bằng cách xem xét thành phần phân tử và chuyển động của chúng. Bắt đầu với các định nghĩa về động lượng và động năng,[11] người ta có thể sử dụng bảo toàn động lượng và các mối quan hệ hình học của một khối lập phương để liên hệ các tính chất hệ vĩ mô của nhiệt độ và áp suất với tính chất vi mô của động năng trên mỗi phân tử. Lý thuyết động học cung cấp các giá trị trung bình cho hai thuộc tính này.

Lý thuyết cũng giải thích cách hệ thống khí phản ứng với sự thay đổi. Ví dụ, khi một chất khí được đốt nóng từ độ không tuyệt đối, khi nó (theo lý thuyết) đứng yên hoàn toàn, nội năng (nhiệt độ) của nó tăng lên. Khi một chất khí bị đốt nóng, các hạt sẽ tăng tốc độ và nhiệt độ của nó tăng lên. Điều này dẫn đến số lượng va chạm lớn hơn với vật chứa trên một đơn vị thời gian do tốc độ hạt cao hơn liên quan đến nhiệt độ cao. Áp suất tăng tương ứng với số lần va chạm trên một đơn vị thời gian.

Chuyển động Brown

Chuyển động Brown là mô hình toán học được sử dụng để mô tả chuyển động ngẫu nhiên của các hạt lơ lửng trong chất lỏng. Hoạt ảnh hạt khí, sử dụng các hạt màu hồng và xanh lá cây, minh họa hành vi này dẫn đến sự lan truyền ra các chất khí (entropy). Những sự kiện này cũng được mô tả bằng lý thuyết hạt.

Vì việc quan sát các hạt khí riêng lẻ (nguyên tử hoặc phân tử) đang ở giới hạn (hoặc xa hơn) công nghệ hiện tại, nên chỉ các tính toán lý thuyết mới đưa ra gợi ý về cách chúng chuyển động, nhưng chuyển động của chúng khác với chuyển động Brown vì chuyển động Brown liên quan đến lực cản trơn do trước lực ma sát của nhiều phân tử khí, bị đâm thủng do va chạm mạnh của một (hoặc một số) phân tử khí riêng lẻ với hạt. Do đó, hạt (thường bao gồm hàng triệu hoặc hàng tỷ nguyên tử) chuyển động theo đường răng cưa, nhưng không quá răng cưa như mong đợi nếu một phân tử khí riêng lẻ được kiểm tra.

Lực giữa các phân tử

Như đã thảo luận trước đó, lực hút tạm thời (hoặc lực đẩy) giữa các hạt có ảnh hưởng đến động lực học chất khí. Trong hóa lý, tên được đặt cho các lực liên phân tử này là lực van der Waals. Các lực này đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính vật lý của chất khí như độ nhớt và tốc độ dòng chảy (xem phần đặc tính vật lý). Bỏ qua các lực này trong những điều kiện nhất định cho phép một khí thực được coi như khí lý tưởng. Giả thiết này cho phép sử dụng các định luật khí lý tưởng giúp đơn giản hóa việc tính toán.

Việc sử dụng hợp lý các mối quan hệ khí này đòi hỏi phải có lý thuyết động học-phân tử (KMT). Khi các hạt khí chịu lực giữa các phân tử, chúng dần dần ảnh hưởng lẫn nhau khi khoảng cách giữa chúng bị giảm đi (mô hình liên kết hydro minh họa một ví dụ). Trong trường hợp không có điện tích, tại một thời điểm nào đó khi khoảng cách giữa các hạt khí giảm đi đáng kể, chúng không còn có thể tránh được va chạm giữa chúng ở nhiệt độ khí bình thường. Một trường hợp khác đối với sự gia tăng va chạm giữa các hạt khí sẽ bao gồm một thể tích khí cố định, khi nung nóng sẽ chứa các hạt vận tốc cao. Điều này có nghĩa là các phương trình lý tưởng này cung cấp các kết quả hợp lý ngoại trừ các điều kiện áp suất cực cao (có thể nén) hoặc nhiệt độ cao (bị ion hóa). Tất cả các điều kiện ngoại trừ này cho phép truyền năng lượng diễn ra trong hệ thống khí. Sự vắng mặt của các chuyển giao bên trong này được gọi là điều kiện lý tưởng trong đó sự trao đổi năng lượng chỉ xảy ra ở các ranh giới của hệ thống. Khí thực trải qua một số va chạm và lực giữa các phân tử. Khi những va chạm này là không đáng kể về mặt thống kê (không thể nén được), kết quả từ các phương trình lý tưởng này vẫn có ý nghĩa. Nếu các hạt khí bị nén lại gần nhau, chúng sẽ hoạt động giống chất lỏng hơn (xem động lực học chất lỏng).