الغازات (الفيزياء): تعريفها ، خصائصها وأمثلة

الهواء الذي نتنفسه ونتحرك خلاله يوميًا ، والهليوم في بالونات أعياد الميلاد والميثان المستخدم في التدفئة المنزلية كلها أمثلة شائعة على الغازات. الغاز هو أحد الحالات الثلاث الرئيسية للمادة ، جنبًا إلى جنب مع المواد الصلبة والسوائل.

تختلف حالات المادة وفقًا لمدى تماسك الجسيمات - نتيجة لمقدار الطاقة الحركية التي تمتلكها - مما ينتج عنه خصائص مميزة.

المادة هي الأكثر حزمًا في حالتها الصلبة. ترتبط الجزيئات الموجودة في المادة الصلبة ببعضها البعض بواسطة روابط وعوامل جذب ذرية. نتيجة لذلك ، فإنها تهتز في مكانها بدلاً من التدفق بحرية حولها. المواد الصلبة لها أشكال وأحجام محددة ، ولا يمكن ضغطها بسهولة ؛ أي أنها تحافظ على شكلها جيدًا إلى حد ما.

في حالتها السائلة ، تكون المادة أقل حزمًا من المادة الصلبة ، وذلك بفضل الروابط الجزيئية الأضعف. في حالة وجود حقل جاذبية ، سيأخذ السائل شكل الحاوية الخاصة به ؛ في حالة عدم وجود الجاذبية ، يتشكل في أشكال كروية.

في حالتها الغازية ، تعاني المادة من تفاعلات ضعيفة مع نفسها. يمكن للجسيمات أن تتحرك بحرية تامة. نتيجة لذلك ، تأخذ الغازات شكل وحجم أي حاوية توجد فيها. افتح الفرن بعد خبز الكعكة ، وسوف ينتشر الغاز الموجود بالداخل في جميع أنحاء المنزل بحيث يمكن شم رائحة الكعكة من كل غرفة.

أحدث حالة من المادة التي يعرفها الفيزيائيون هي البلازما ، وهي حالة تتفكك فيها الذرات التي تشكل المادة نفسها. تحدث البلازما فقط في درجات حرارة وضغوط قصوى ، مثل تلك الموجودة في مركز الشمس. نظرًا لأن الإلكترونات يتم تجريدها من الذرات في هذه الظروف ، ينتهي الأمر بالبلازما إلى أن تكون مزيجًا من الإلكترونات الحرة ، وبقايا أيونات موجبة الشحنة وذرات متعادلة. من حيث السلوك ، تعمل البلازما كغاز ، ولكن بسبب الشحنات المتضمنة ، لها أيضًا خصائص كهرومغناطيسية.

يمكن أن تتغير المادة من حالة إلى أخرى حسب ظروف الضغط ودرجة الحرارة. يُعرف هذا التحول باسم تغيير المرحلة. على سبيل المثال ، الماء الصلب على شكل جليد عند تسخينه إلى درجة الغليان سوف يذوب في ماء سائل ، والذي بدوره سوف يتبخر إلى بخار ماء مع مزيد من الحرارة المضافة.

التكثيف هو عكس التبخر. عندما يتكثف الغاز ، يصبح سائلاً.

يمكن أن تتحول المادة الصلبة مباشرة إلى حالة غازية من خلال المرور تسامي. يحدث التسامي عندما تكون المادة الصلبة عند ضغط معين أقل من نقطتها الثلاثية في مخطط الطور. على سبيل المثال ، الجليد الجاف (ثاني أكسيد الكربون الصلب) يتصاعد عند تسخينه في جو واحد ، على عكس الجليد "العادي" (الماء) الذي يذوب ببساطة في سائل عند تسخينه في جو واحد.

الوصف الفيزيائي الرسمي للغاز هو مادة ليس لها حجم محدد (وتسمى أيضًا حجمًا ثابتًا) أو شكلًا محددًا. بدلاً من ذلك ، سيأخذ الغاز شكل الحاوية الخاصة به لأن جزيئات الغاز يمكن أن تتحرك بحرية فوق بعضها البعض.

تساعد مشكلة افتراضية شهيرة أنشأها عالم فيزياء الجسيمات البارز إنريكو فيرمي في توضيح ذلك. طلب فيرمي من طلابه تقدير عدد جزيئات نفس قيصر المحتضرة التي يمكن للإنسان اليوم أن يتوقع مواجهتها مع كل من شهيقه. على افتراض أن النفس الأخير للإمبراطور الروماني قد وزع بالتساوي في جميع أنحاء العالم حتى الآن (ولم يتم امتصاصه من قبل المحيط أو النباتات) ، تظهر الحسابات أن الكائنات الحية اليوم تتنفس حوالي جزيء واحد من أنفاسه المحتضرة مع كل من لهم.

على الرغم من أن السائل يمكن أن يتخذ شكل الحاوية الخاصة به ، فإن السائل لا يغير حجمه دون مساعدة. لكن الغاز سينتشر دائمًا لملء الحاوية الخاصة به ، وعلى العكس من ذلك ، يمكن ضغطه في حاوية أصغر.

قياس مهم لوصف الغاز الضغط. ضغط الغاز هو القوة لكل وحدة مساحة التي يبذلها الغاز في الحاوية الخاصة به. المزيد من الضغط يؤدي إلى مزيد من القوة ، والعكس صحيح.

على سبيل المثال ، يشعر إطار الدراجة الذي يتم ضخه إلى ضغط مرتفع بأنه متعلم وقوي من الخارج. من ناحية أخرى ، يبذل إطار الضغط المنخفض قوة خارجية أقل ، ونتيجة لذلك ، يشعر بالمرونة والليونة.

السمة الرئيسية الأخرى للغاز هي درجة الحرارة. يتم تعريف درجة حرارة الغاز على أنها مقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية لكل جزيء في الغاز. نظرًا لأن كل الجزيئات تهتز ، فإنها تمتلك قدرًا من الطاقة الحركية.

هناك حاجة إلى كل من الضغط ودرجة الحرارة لتحديد ما إذا كانت حالة المادة غازية. بعض المواد عبارة عن غازات في درجات حرارة عالية فقط ، بينما تكون غازات أخرى عند درجات حرارة منخفضة أو في درجة حرارة الغرفة. وفي الوقت نفسه ، بعض المواد عبارة عن غازات فقط عند درجات حرارة عالية و ضغوط منخفضة. يوضح مخطط الطور حالة المادة لمادة معينة عند توليفات مختلفة من درجة الحرارة والضغط.

تكثر الغازات في العالم من حولنا. ينطلق ثاني أكسيد الكربون ، وهو غاز دفيئة شائع ، عند حرق الوقود لتشغيل العديد من الأنشطة البشرية الحالية. عندما يتبخر الماء السائل ، يتحول إلى بخار أو بخار ماء - وهي عملية تحدث على أسطح المواقد وفي البرك بالخارج تحت الشمس.

خليط الغازات المعروف بالهواء - والذي يتكون عادة من 78 في المائة من النيتروجين و 21 في المائة من الأكسجين و 1 في المائة الغازات الأخرى - تحيط بجميع الكائنات الأرضية وتتبادلها مع أجسامها عبر الجهاز التنفسي النظام. عند التنفس ، تستخرج العديد من الحيوانات الأكسجين من الهواء وتزيل ثاني أكسيد الكربون من أجسامها ، بينما تقوم العديد من النباتات بالعكس ، حيث تأخذ ثاني أكسيد الكربون وتطلق الأكسجين.

للمساعدة في تفسير سلوك الغازات بشكل أفضل ، يحب الفيزيائيون تقريب كيفية تصرف الغازات إذا كانت مصنوعة من العديد تتحرك الجسيمات النقطية في خطوط مستقيمة ولا تعاني من قوى بين الجزيئات - بمعنى آخر ، دون التفاعل مع أحدها اخر.

بالطبع ، لا يوجد غاز مثالي في الواقع ، ولكن بالنظر إلى كيفية وجود غاز سيكون بموجب هذا الوصف ، يستطيع الفيزيائيون الجمع بين عدة قوانين بسيطة حول الخصائص الغازية في قانون واحد: قانون الغاز المثالي.

• قانون الغاز المثالي هو PV = nRT، أين ص هو الضغط ، الخامس هو الحجم ، ن هو عدد مولات الغاز ، ر هو ثابت الغاز و تي هي درجة الحرارة.

على وجه التحديد ، يُشتق قانون الغاز المثالي من أربعة قوانين غاز أبسط تُظهر أجزاء من العلاقات في قانون الغاز المدمج. هم انهم:

• قانون بويل: يتناسب ضغط الغاز عكسياً مع حجمه عند درجة حرارة ثابتة وكمية الغاز.
• قانون تشارلز: يتناسب حجم ودرجة حرارة الغاز عند ثبات الضغط.
• قانون أفوجادرو: يتناسب حجم الغاز مع كمية الغاز عندما يكون الضغط ودرجة الحرارة ثابتين.
• قانون أمونتون: إن ضغط ودرجة حرارة الغاز متناسبان طالما أن كمية الغاز وحجمه ثابتان.