气体动理论

　　气体动理论（gases, kinetic theory of），研究物质热运动性质和规律的早期微观统计理论。曾称气体分子运动论。它根据物质由大量分子组成，分子不停顿地作无规则热运动，分子间存在相互作用力，分子的运动遵循牛顿定律等，用统计平均的方法，得出大量分子热运动所遵循的统计规律，建立宏观量与相应微观量平均值的关系，为热力学系统的宏观性质和规律提供微观统计解释。气体动理论是19世纪中叶建立和发展起来的，奠基者是E.R.克劳修斯、J.C.麦克斯韦和L.玻耳兹曼。

　　早在18世纪，D.伯努利就认为气体由大量激烈运动的分子组成，气体的压强来自分子对器壁的碰撞。1857年克劳修斯把分子看作无限小的质点，假设分子以平均速率运动，再次导出了气体的压力公式，并据此说明玻意耳定律、盖·吕萨克定律，还首次给出了氧、氮、氢气体分子在0℃的方均根速率的定量数据。1858年克劳修斯采用弹性球分子模型，利用概率概念，首次导出了平均自由程的公式。

　　1860年麦克斯韦指出，气体分子的频繁碰撞并未使它们的速率趋于一致，而是出现稳定的分布，即麦克斯韦分布。他首次导出平衡态气体分子的速率分布和速度分布，并据此修正了克劳修斯的平均自由程公式，还得出了气体输运系数的公式。1865年麦克斯韦把弹性球分子模型改为分子间作用力与其间距离的5次方成反比的力心点模型，进一步讨论了气体输运过程(见气体输运现象)。

　　1868年玻耳兹曼把麦克斯韦分布推广到系统受保守力场作用的情形。1872年他给出了随时间变化的非平衡态分布函数f（r,vt）的演化方程，并给出了气体输运系数的表达式。1875年他用f(r,vt)定义了一个H函数，并证明在分子相互碰撞的影响下，H随时间单调地减小，在平衡态达到最小值，这就是H定理。玻耳兹曼认为H函数对应于熵，H定理为熵增加原理提供了微观解释。为了回答对H定理的批评，玻耳兹曼假设系统每一种可能的微观状态具有相同的概率，认为熵与宏观状态所对应的微观状态的数目相联系，热力学系统是由比较有序的概率小的状态向比较无序的概率大的状态过渡，最后达到最概然的平衡态，这就是实际热力学过程不可逆性的微观本质。布朗运动的研究曾对气体动理论起过重要作用，它证实了分子的热运动，并表明存在着涨落现象。

　　气体动理论的建立和发展标志着物理学进入了分子世界。作为第一个微观理论，它采用的概率概念和统计平均方法已为尔后的统计理论继承。但是，由于气体动理论以分子为统计的个体，它的进一步发展需要对分子模型和分子间相互作用作出相当具体而又并无根据的假设和猜测，这是一个根本的困难。1902年J.W.吉布斯在系统概念的基础上建立了统计物理，避免了气体动理论的困难。