Газове (физика): Определение, свойства и примери

Въздухът, през който дишаме и се движим ежедневно, хелийът в нашите балони за рожден ден и метанът, използван за отопление на дома, са често срещани примери за газове. Газът е едно от трите основни състояния на материята, заедно с твърдите вещества и течностите.

Състоянията на материята се различават в зависимост от това колко плътно са опаковани частиците - следствие от това колко кинетична енергия имат - което води до различни характеристики.

В твърдо състояние, материята е най-тясно опакована. Молекулите в твърдото вещество се държат заедно чрез атомни връзки и атракции. В резултат на това те вибрират на място, вместо да се движат свободно. Твърдите тела имат определени форми и обеми и не се компресират лесно; т.е. поддържат формата си доста добре.

В течно състояние веществото е по-малко опаковано, отколкото в твърдо, благодарение на по-слабите междумолекулни връзки. Когато в присъствието на гравитационно поле, течността ще приеме формата на своя контейнер; при липса на гравитация той се оформя в сферични форми.

В своето газообразно състояние материята изпитва слаби взаимодействия със себе си. Частиците могат да се движат съвсем свободно. В резултат на това газовете придобиват формата и обема на какъвто и контейнер да са. Отворете фурната, след като изпечете торта, и газта, която беше вътре, ще се разпространи из къщата, така че тортата може да се усети от всяка стая.

Най-новото състояние на материята, известно на физиците, е плазмата, състояние, при което атомите, изграждащи самата материя, се разрушават. Плазмата се появява само при екстремни температури и налягания, каквито се намират в центъра на слънцето. Тъй като електроните се отнемат от атомите при тези условия, плазмата в крайна сметка представлява смес от свободни електрони, остатъците от положително заредени йони и неутрални атоми. По отношение на поведението плазмата действа като газ, но поради включените заряди тя има и електромагнитни свойства.

Материята може да се променя от едно състояние в друго в зависимост от условията на налягане и температура. Такава трансформация е известна като a промяна на фазата. Например твърдата вода под формата на лед при нагряване до точката си на кипене ще се стопи във течна вода, която от своя страна ще се изпари във водни пари с още повече добавена топлина.

Обратното на изпарението е кондензацията. Когато газът кондензира, той се превръща в течност.

Твърдото вещество може да премине директно в газообразно веществено състояние чрез преминаване сублимация. Сублимацията се случва, когато твърдото вещество е под определено налягане под тройната си точка във фазова диаграма. Например сухият лед (твърд въглероден диоксид) се сублимира при нагряване в една атмосфера, за разлика от "обикновения" лед (вода), който просто се топи в течност при нагряване в една атмосфера.

Официалното физическо описание на газ е вещество, което няма определен обем (наричан още фиксиран обем) или определена форма. Вместо това газът ще придобие формата на своя контейнер, тъй като молекулите на газа могат да се движат свободно една след друга.

Известен хипотетичен проблем, създаден от известния физик на елементарните частици Енрико Ферми, помага да се илюстрира това. Ферми помоли учениците си да разберат колко молекули на умиращия дъх на Цезар може да очаква човек днес да срещне с всеки от своите вдишвания. Ако приемем, че последният дъх на римския император се е разпределил равномерно по целия свят досега (и не е реабсорбиран от океан или растения), изчисленията показват, че днешните живи същества вдишват около една молекула от умиращия си дъх с всяка от тях техните.

Въпреки че течността може да приеме формата на контейнера си, течността не променя обема си без помощ. Но газът винаги ще се разпространи, за да запълни контейнера си и обратно, той може да бъде компресиран в по-малък контейнер.

Важно измерване за описание на газ е натиск. Налягането на газ е силата на единица площ, която газът упражнява върху контейнера си. Повече натиск води до повече сила и обратно.

Например, гума за велосипед, напомпана до високо налягане, се чувства обучена и твърда отвън. Гумата с ниско налягане, от друга страна, упражнява по-малко сила навън и в резултат се чувства по-флопи и по-мека.

Друга ключова характеристика на даден газ е неговата температура. Температурата на даден газ се определя като мярка за средната кинетична енергия на молекула в газа. Тъй като всички молекули вибрират, всички те имат известно количество кинетична енергия.

И налягането, и температурата са необходими, за да се определи дали състоянието на веществото е газообразно. Някои материали са газове само при високи температури, докато други са газове при ниски температури или стайна температура. Междувременно някои материали са само газове при високи температури и ниско налягане. Фазова диаграма показва състоянието на веществото за дадено вещество при различни комбинации от температура и налягане.

Газовете изобилстват в света около нас. Въглеродният диоксид, често срещан парников газ, се отделя при изгаряне на гориво за захранване на много от текущите дейности на човечеството. Когато течната вода се изпари, тя се превръща в пара или водна пара - процес, който се случва на плотове на печки и в локви отвън под слънцето.

Сместа от газове, известна като въздух - която обикновено е 78 процента азот, 21 процента кислород и 1 процент други газове - обгражда всички земни същества и се обменя с телата им чрез дихателните пътища система. При дишане много животни извличат кислород от въздуха и елиминират въглеродния диоксид от телата си, докато много растения правят обратното, като приемат въглероден диоксид и отделят кислород.

За да помогнат по-добре да обяснят поведението на газовете, физиците обичат да определят приблизително как биха се държали газовете, ако са направени от много точкови частици, които се движат по прави линии и не изпитват междумолекулни сили - с други думи, без взаимодействие с една друг.

Разбира се, никой газ всъщност не е идеален, но като се обмисли как да се използва газ би се действайки под такова описание, физиците са в състояние да комбинират множество прости закони за газообразните свойства в едно: законът за идеалния газ.

• Законът за идеалния газ е PV = nRT, където P е натиск, V е обем, н е броят на моловете на газа, R е газовата константа и T е температурата.

По-конкретно, законът за идеалния газ се получава от четири по-прости газови закона, които показват части от връзките в комбинирания закон за газа. Те са:

• Закон на Бойл: Налягането на газа е обратно пропорционално на неговия обем при постоянна температура и количество газ.
• Законът на Чарлз: Обемът и температурата на газа са пропорционални, когато налягането се поддържа постоянно.
• Законът на Авогадро: Обемът на газа е пропорционален на количеството газ, когато налягането и температурата са постоянни.
• Законът на Амонтън: Налягането и температурата на даден газ са пропорционални, докато количеството и обемът на газа се поддържат постоянни.