Teoría Cinética de la Materia
La teoría cinética de la materia establece que toda la materia está hecha de diminutas partículas en movimiento constante, y que la temperatura mide su energía cinética promedio.
Definition
La teoría cinética de la materia establece que toda la materia está hecha de partículas en movimiento aleatorio constante, que la energía cinética promedio de esas partículas es proporcional a la temperatura, y que el estado que toma una sustancia depende de cómo ese movimiento se compara con las fuerzas de atracción entre partículas: los sólidos vibran en su lugar, los líquidos se deslizan unos junto a otros, y los gases se mueven libremente. Más precisamente, la energía cinética traslacional de cada partícula promedia $\frac{3}{2}k_BT$, con velocidades distribuidas según la distribución de Maxwell-Boltzmann, y para los gases ideales la teoría deriva las leyes de los gases a partir de colisiones elásticas con las paredes del recipiente, dando $PV = \frac{1}{3}Nm\overline{v^2}$ y por lo tanto $PV = nRT$. Aplicada a las fases condensadas, también explica la evaporación como partículas rápidas escapando de una superficie, las mesetas planas en las curvas de calentamiento donde la energía va a romper atracciones en lugar de subir la velocidad, y la difusión.
Example
El colorante para alimentos dejado caer en agua sin revolver se dispersa lentamente por sí solo mientras las partículas de agua en movimiento lo empujan de un lado a otro, y se dispersa en agua caliente en segundos pero tarda minutos en agua fría porque las moléculas a $80^\circ\text{C}$ se mueven más rápido que las de $5^\circ\text{C}$; la presión del gas proviene de las partículas golpeando las paredes del recipiente, razón por la cual calentar una lata sellada aumenta la presión dentro. A $25^\circ\text{C}$ la energía cinética promedio por molécula es $6.17 \times 10^{-21}\text{ J}$, la misma para todo gas, así que como el helio es más ligero que el nitrógeno sus moléculas se mueven más rápido ($1363\text{ m/s}$ frente a $515\text{ m/s}$ rms) para llevar esa misma energía, razón por la cual el helio se escapa de un globo durante la noche.
Key Insight
Hasta una roca sólida está llena de partículas que nunca dejan de moverse, solo se menean en su lugar en vez de viajar, y la temperatura mide su velocidad promedio en lugar de la cantidad total de calor presente, razón por la cual una chispa a $1000^\circ\text{C}$ no puede quemarte (demasiado pocas partículas rápidas) mientras una tina de baño a $40^\circ\text{C}$ contiene muchísima más energía total. El cero absoluto es la temperatura a la cual la energía cinética de las partículas alcanzaría su mínimo mecánico-cuántico en lugar de la quietud verdadera, y la escala Kelvin existe precisamente porque la teoría cinética muestra que la temperatura es proporcional a la energía, y una escala proporcional necesita un verdadero punto cero.