Plyny (fyzika): Definice, vlastnosti a příklady

Vzduch, který denně dýcháme a kterým se pohybujeme, hélium v ​​našich narozeninových balóncích a metan používaný k vytápění domů jsou všechny běžné příklady plynů. Plyn je jedním ze tří hlavních stavů hmoty, spolu s pevnými látkami a kapalinami.

Stavy hmoty se liší podle toho, jak těsně jsou částice zabalené - důsledek toho, kolik mají kinetické energie - což má za následek odlišné charakteristiky.

V pevném stavu je hmota nejvíce zabalená. Molekuly v pevné látce jsou drženy pohromadě atomovými vazbami a přitažlivostmi. Výsledkem je, že vibrují na místě, místo aby volně proudily. Tělesa mají určité tvary a objemy a nelze je snadno komprimovat; to znamená, že udržují svůj tvar docela dobře.

V kapalném stavu je hmota díky slabším mezimolekulárním vazbám méně těsně zabalená než v pevné látce. Pokud je kapalina v přítomnosti gravitačního pole, získá tvar nádoby; při absenci gravitace se formuje do sférických tvarů.

V plynném stavu hmota prožívá slabé interakce sama se sebou. Částice se mohou pohybovat zcela volně. Výsledkem je, že plyny nabývají tvaru a objemu jakékoli nádoby, ve které jsou. Po upečení dortu otevřete troubu a plyn, který byl uvnitř, se rozšíří po celém domě, takže dort bude cítit z každé místnosti.

Nejnovějším fyzikálním stavem hmoty je plazma, což je stav, kdy se atomy tvořící hmotu samy rozpadají. Plazma se vyskytuje pouze při extrémních teplotách a tlacích, jaké se nacházejí ve středu slunce. Protože za těchto podmínek jsou elektrony zbaveny atomů, plazma končí jako směs volných elektronů, zbylých kladně nabitých iontů a neutrálních atomů. Pokud jde o chování, plazma funguje jako plyn, ale kvůli zapojeným nábojům má také elektromagnetické vlastnosti.

Hmota se může měnit z jednoho stavu do druhého v závislosti na podmínkách tlaku a teploty. Taková transformace se nazývá a změna fáze. Například pevná voda ve formě ledu se při zahřátí na teplotu varu roztaví na kapalnou vodu, která se zase odpaří na vodní páru s ještě větším množstvím tepla.

Opakem odpařování je kondenzace. Když plyn kondenzuje, stává se kapalinou.

Pevná látka může procházením procházet přímo do plynného stavu hmoty sublimace. K sublimaci dochází, když je pevná látka pod určitým tlakem pod trojným bodem ve fázovém diagramu. Například suchý led (pevný oxid uhličitý) sublimuje při zahřátí na jednu atmosféru, na rozdíl od „běžného“ ledu (vody), který se při zahřátí na jednu atmosféru jednoduše roztaví na kapalinu.

Formální fyzikální popis plynu je látka, která nemá určitý objem (také nazývaný pevný objem) nebo určitý tvar. Místo toho bude mít plyn tvar své nádoby, protože molekuly plynu se mohou volně pohybovat kolem sebe.

Ilustrovat to může slavný hypotetický problém vytvořený předním fyzikem částic Enrico Fermi. Fermi požádal své studenty, aby přiblížili, kolik molekul Caesarova umírajícího dechu může člověk dnes očekávat, že se setkají s každou ze svých vlastních nádechů. Za předpokladu, že se poslední dech římského císaře rozložil rovnoměrně po celém světě (a nebyl reabsorbován oceán nebo rostliny), výpočty ukazují, že dnešní živé bytosti dýchají přibližně jednou molekulou svého umírajícího dechu s každou z jejich.

Ačkoli kapalina může mít také tvar nádoby, kapalina bez pomoci nezmění svůj objem. Plyn se ale vždy rozšíří, aby naplnil svůj kontejner, a naopak ho lze stlačit do menšího kontejneru.

Důležité měření k popisu plynu je tlak. Tlak plynu je síla na jednotku plochy, kterou plyn vyvíjí na svou nádobu. Větší tlak vede k větší síle a naopak.

Například pneumatika pro jízdní kolo nahuštěná na vysoký tlak se cítí zvenčí naučená a tvrdá. Nízkotlaká pneumatika naproti tomu vyvíjí menší sílu směrem ven a díky tomu se cítí pružnější a měkčí.

Další klíčovou charakteristikou plynu je jeho teplota. Teplota plynu je definována jako míra průměrné kinetické energie na molekulu v plynu. Protože všechny molekuly vibrují, všechny mají určité množství kinetické energie.

K určení, zda je skupenství hmoty plynné, je zapotřebí tlak i teplota. Některé materiály jsou plyny pouze při vysokých teplotách, zatímco jiné jsou plyny při nízkých teplotách nebo při pokojové teplotě. Některé materiály jsou mezitím pouze plyny při vysokých teplotách a nízké tlaky. Fázový diagram ukazuje stav hmoty pro danou látku při různých kombinacích teploty a tlaku.

Ve světě kolem nás je spousta plynů. Oxid uhličitý, běžný skleníkový plyn, se uvolňuje při spalování paliva k pohonu mnoha současných činností lidstva. Když se kapalná voda odpařuje, stává se z ní pára nebo vodní pára - proces, který se vyskytuje na kamenech a v kalužích venku pod sluncem.

Směs plynů známá jako vzduch - což je obvykle 78 procent dusíku, 21 procent kyslíku a 1 procenta ostatní plyny - obklopují všechna suchozemská stvoření a směňují se s jejich těly prostřednictvím dýchacích cest Systém. Při dýchání mnoho zvířat extrahuje kyslík ze vzduchu a vylučuje oxid uhličitý ze svých těl, zatímco mnoho rostlin dělá opak, nasává oxid uhličitý a vydává kyslík.

Aby fyzikové lépe vysvětlili chování plynů, chtěli fyzici přiblížit, jak by se tyto plyny chovaly, kdyby byly vyrobeny z mnoha bodové částice pohybující se v přímkách a nezažijící mezimolekulární síly - jinými slovy, bez interakce s jednou další.

Samozřejmě, žádný plyn není ve skutečnosti ideální, ale když vezmeme v úvahu, jak plyn bych Podle takového popisu mohou fyzici spojit několik jednoduchých zákonů o plynných vlastnostech do jednoho: zákon ideálního plynu.

• Ideální zákon o plynu je PV = nRT, kde P je tlak, PROTI je objem, n je počet molů plynu, R je plynová konstanta a T je teplota.

Zákon ideálního plynu je konkrétně odvozen ze čtyř jednodušších zákonů o plynu, které ukazují části vztahů v kombinovaném zákoně o plynu. Oni jsou:

• Boyleův zákon: Tlak plynu je nepřímo úměrný jeho objemu při konstantní teplotě a množství plynu.
• Charlesův zákon: Objem a teplota plynu jsou úměrné, když je tlak udržován konstantní.
• Avogadrův zákon: Objem plynu je úměrný množství plynu, když jsou tlak a teplota konstantní.
• Amontonův zákon: Tlak a teplota plynu jsou úměrné, pokud jsou jeho množství a objem udržovány konstantní.