Lý thuyết động học phân tử chất khí là một lý thuyết vi mô về nhiệt, sử dụng lý thuyết chuyển động phân tử để giải thích các tính chất nhiệt vĩ mô của vật chất. Nó dựa trên hai khái niệm cơ bản: một là các phân tử được cấu tạo bởi một số lượng lớn các phân tử và nguyên tử; hai là các hiện tượng nhiệt là biểu hiện của sự chuyển động không đều của các phân tử này.
“Hữu xạ tự nhiên hương”, gió thoảng thổi qua cánh đồng đầy hoa cải, hương hoa phảng phất bay đi xa. Lý do tại sao con người có thể ngửi thấy mùi thơm, học giả Hy Lạp cổ đại Democritus đã giải thích điều này từ lâu. Có thể thấy lý thuyết về hạt đã có những suy nghĩ chớm nở từ thời Hy Lạp cổ đại.
Vào thế kỷ 17, khi Gassanti đề xuất rằng vật chất được cấu tạo bởi các phân tử, lý thuyết về động học phân tử chất khí đã nảy sinh, và sau đó các khái niệm về thuyết động học phân tử chất khí lần lượt xuất hiện, và một số hiện tượng nhiệt có thể được giải thích một cách định tính. Tuy nhiên, do sự thịnh vượng của lý thuyết nhiệt động học đã làm cho thuyết động học phân tử chất khí phát triển rất chậm mãi cho đến đầu thế kỷ 19. Năm 1716, Hermann người Thụy Sĩ là người đầu tiên đề xuất một mối quan hệ định lượng xác định đối với nhiệt như một chuyển động. Năm 1729, nhà toán học Thụy Sĩ Euler đưa ra phương trình trạng thái dựa trên sự phát triển của lý thuyết Descartes, lý thuyết đầu tiên gần với lý thuyết thực về chuyển động của phân tử khí.
Một nhà toán học khác, D. Bernoulli, đã suy ra một công thức áp suất có tính tổng quát hơn định luật Boyle từ chuyển động của phân tử vào năm 1738. Từ năm 1746 đến năm 1748, Lomonosov người Nga đã liên tiếp chứng minh chuyển động cơ bản của nhiệt trong luận án của mình, thảo luận về bản chất của khí và giải thích ý tưởng về chuyển động không đều của các phân tử khí. Ngoài ra, Drucker và Risacci của Thụy Sĩ, và Wiskovich của Ý (đã đề xuất mô hình lực đẩy phân tử) cũng đã cống hiến hết mình cho việc nghiên cứu chuyển động học phân tử chất khí.
Trong nửa đầu thế kỷ 19, lý thuyết về động học phân tử chất khí tiếp tục phát triển. Năm 1816, Schrappa ở Vương quốc Anh đề xuất ý tưởng rằng nhiệt độ phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của các phân tử. Năm 1846, Watston ở Scotland đề xuất rằng giá trị trung bình m.v của tất cả các phân tử phải giống nhau đối với các khí có trọng lượng riêng khác nhau trong một chất khí hỗn hợp đều có năng lượng gần bằng nhau. Joule cũng chỉ ra trong bài phát biểu của mình rằng nhiệt là động năng của chuyển động phân tử khí hoặc năng lượng tương tác giữa các phân tử khí. Khi lý thuyết về nhiệt động học bị tụt hậu, nó được thay thế bằng lý thuyết về động học phân tử chất khí, tạo cơ hội tốt cho sự hồi sinh và phát triển của lý thuyết này. Người ta thường gán cho nhà hóa học người Đức Krienich – người phục sinh của thuyết chuyển động phân tử chất khí. Vào năm 1856, ông đã xuất bản một bài báo có tựa đề “Đặc điểm của Thuyết chất khí”, ngay sau khi định luật đầu tiên của nhiệt động lực học ra đời, nhận được sự quan tâm rộng rãi của cộng đồng khoa học.
Việc này cũng đã truyền cảm hứng cho Clausius và Maxwell để phát triển thêm lý thuyết này. Trên thực tế, công trình của Krienich có thể nói là phần cuối của lý thuyết động học phân tử chất khí sơ khai, cho đến tận ông, lý thuyết động học phân tử chất khí chủ yếu vẫn là định tính. Đối với thống kê về tốc độ phân tử và lực tương tác giữa các phân tử, nghiên cứu của Clausius và Maxwell là nền tảng thực sự của lý thuyết chuyển động phân tử chất khí. Sau đó, nhà vật lý người Hà Lan Van der Waals đã kế thừa và phát triển thành quả nghiên cứu của Boyle, Bernoulli, Clausius và những người khác, và năm 1873 đã đưa ra phương trình nổi tiếng: Phương trình trạng thái Van der Waals.
Sự ra đời của vật lý thống kê
Vào đầu thế kỷ 19, thông qua nỗ lực của các nhà toán học Adrun, Gauss và những người khác, lý thuyết về xác suất đã được phát triển. Năm 1955, Maxwell chú ý đến vấn đề phân bố khối lượng của vành đai Sao Thổ, nhưng đã từ bỏ do tính phức tạp của nó. Mãi đến năm 1958. Sau khi đọc bài báo của Clausius về khoảng cách trung bình, ông đã được khuyến khích rất nhiều và bắt đầu sử dụng lại lý thuyết xác suất, nó có thể chứng minh toàn diện hơn lý thuyết chuyển động phân tử chất khí. Trong bối cảnh lúc bấy giờ, các nhà khoa học chủ trương sử dụng cơ học cổ điển để mô tả chuyển động của phân tử khí, nhưng Maxwell vẫn kiên định với nhận định của riêng mình, những năm sau đó, ông tiếp tục nghiên cứu và cuối cùng thông qua lý thuyết xác suất, ông đã tính được quy luật phân bố vận tốc. Kể từ đó, Michelson, Stern và Kush đã lần lượt chứng minh định luật phân phối vận tốc.
Sau khi công bố định luật phân bố vận tốc Maxwell, nhà vật lý nổi tiếng người Áo Boltzmann cũng có đóng góp đáng kể trong lý thuyết chuyển động phân tử chất khí. Thông qua nghiên cứu, ông suy ra phân bố Boltzmann, định lý H và giải thích một cách thống kê định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Sau đó, Giáo sư Gibbs về Toán học và Vật lý tại Đại học Yale đã phát triển tư duy thống kê của Maxwell và Boltzmann và thiết lập một loạt các phương trình nhiệt động lực học giữa các hàm nhiệt động lực học. Nhiệt động lực học phát triển thành một lý thuyết phổ quát có cấu trúc tốt và dễ sử dụng. Đồng thời, Gibbs cũng đề xuất phát triển ba phương pháp trung bình thống kê, biến động thống kê và tương tự thống kê, thiết lập một bộ hệ thống lý thuyết, từ đó hoàn thiện việc tổng hợp lý thuyết về nhiệt động lực học và động học phân tử chất khí.
