Gasser (fysik): definition, egenskaber og eksempler

Luften, vi indånder og bevæger os igennem dagligt, helium i vores fødselsdagsballoner og metanet, der bruges til opvarmning i hjemmet, er alle almindelige eksempler på gasser. Gas er en af ​​de tre hovedtilstande for stof sammen med faste stoffer og væsker.

Materiets tilstande adskiller sig efter hvor tæt pakket partiklerne er - en konsekvens af hvor meget kinetisk energi de har - hvilket resulterer i særskilte egenskaber.

I sin faste tilstand er stof den tættest pakket. Molekylerne i et fast stof holdes sammen af ​​atombindinger og attraktioner. Som et resultat vibrerer de på plads i stedet for at flyde frit rundt. Faste stoffer har bestemte former og volumener, og de komprimeres ikke let; det vil sige, de holder deres form ret godt.

I flydende tilstand er stof mindre tæt pakket end i et fast stof takket være svagere intermolekylære bindinger. Når der er nærvær af et tyngdefelt, vil en væske tage form af sin beholder; i fravær af tyngdekraft, danner det sig til sfæriske former.

I sin luftform oplever stof svage interaktioner med sig selv. Partikler kan bevæge sig ret frit. Som et resultat får gasser form og volumen af ​​den beholder, de er i. Åbn ovnen efter bagning af en kage, og gassen, der var inde, spredes i hele huset, så kagen kan lugtes fra alle rum.

Den nyeste tilstand af stof, som fysikere kender, er plasma, en tilstand, hvor de atomer, der udgør stof, bryder sammen. Plasma forekommer kun ved ekstreme temperaturer og tryk, såsom dem der findes i midten af ​​solen. Fordi elektroner fjernes fra atomer under disse forhold, ender det med at en plasma er en blanding af frie elektroner, de resterende positivt ladede ioner og neutrale atomer. Med hensyn til adfærd fungerer et plasma som en gas, men på grund af de involverede ladninger har det også elektromagnetiske egenskaber.

Materiale kan skifte fra en tilstand til en anden afhængigt af forholdene for tryk og temperatur. En sådan transformation er kendt som en faseændring. For eksempel smelter fast vand i form af is, når det opvarmes til kogepunktet, i flydende vand, som igen vil fordampe til vanddamp med endnu mere tilsat varme.

Det modsatte af fordampning er kondens. Når en gas kondenserer, bliver den til en væske.

Et fast stof kan overgå direkte til en gasformig tilstand ved at gennemgå sublimering. Sublimering sker, når et fast stof har et bestemt tryk under dets tredobbelte punkt i et fasediagram. For eksempel sublimerer tøris (fast kuldioxid), når det opvarmes til en atmosfære, i modsætning til "almindelig" is (vand), der simpelthen smelter til væske, når det opvarmes til en atmosfære.

Den formelle fysiske beskrivelse af en gas er et stof, der ikke har et bestemt volumen (også kaldet et fast volumen) eller en bestemt form. I stedet vil en gas tage form af sin beholder, fordi gasmolekyler kan bevæge sig frit forbi hinanden.

Et berømt hypotetisk problem skabt af den fremtrædende partikelfysiker Enrico Fermi hjælper med at illustrere dette. Fermi bad sine elever om at tilnærme sig, hvor mange molekyler af Cæsars døende åndedræt et menneske i dag kan forvente at støde på hver af deres egne inhalationer. Under forudsætning af, at den romerske kejser sidste åndedrag har fordelt sig jævnt over hele kloden nu (og ikke er blevet genoptaget af hav eller planter), beregninger viser, at nutidens levende væsener indånder ca. et molekyle af hans døende ånde med hver af dem deres.

Selvom en væske også kan tage form af sin beholder, ændrer en væske ikke volumen uden hjælp. Men en gas vil altid sprede sig for at fylde beholderen, og omvendt kan den komprimeres til en mindre beholder.

En vigtig måling til beskrivelse af en gas er tryk. Trykket af en gas er den kraft pr. Arealenhed, som gassen udøver på sin beholder. Mere pres fører til mere kraft og omvendt.

For eksempel føles et cykeldæk pumpet op til et højt tryk lært og hårdt udefra. Et lavtryksdæk udøver derimod mindre ydre kraft, og som et resultat føles det floppier og blødere.

En anden vigtig egenskab ved en gas er dens temperatur. Temperaturen på en gas er defineret som et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr. Molekyle i gassen. Fordi alle molekyler vibrerer, har de alle en vis mængde kinetisk energi.

Både tryk og temperatur er nødvendig for at bestemme, om stoffets tilstand er gasformig. Nogle materialer er kun gasser ved høje temperaturer, mens andre er gasser ved lave temperaturer eller stuetemperatur. I mellemtiden er nogle materialer kun gasser ved høje temperaturer og lave tryk. Et fasediagram viser stoffets tilstand for et givet stof ved forskellige kombinationer af temperatur og tryk.

Gasser findes i overflod i verdenen omkring os. Kuldioxid, en almindelig drivhusgas, afgives, når der forbrændes brændstof til at drive mange af menneskehedens nuværende aktiviteter. Når flydende vand fordamper, bliver det damp eller vanddamp - en proces, der finder sted på komfurplader og i vandpytter uden for solen.

Blandingen af ​​gasser kendt som luft - som typisk er 78 procent kvælstof, 21 procent ilt og 1 procent andre gasser - omgiver alle jordiske skabninger og udveksler med deres kroppe gennem luftvejene system. Under vejrtrækning trækker mange dyr ilt ud af luften og fjerner kuldioxid fra deres kroppe, mens mange planter gør det modsatte, idet de optager kuldioxid og afgiver ilt.

For at hjælpe bedre med at forklare gassernes opførsel kan fysikere gerne tilnærme sig hvordan gasserne ville opføre sig, hvis de var lavet af mange punktpartikler, der bevæger sig i lige linjer og ikke oplever intermolekylære kræfter - med andre ord uden at interagere med en en anden.

Selvfølgelig er ingen gas faktisk ideel, men ved at overveje, hvordan en gas ville handler under en sådan beskrivelse, er fysikere i stand til at kombinere flere enkle love om gasformige egenskaber i en: den ideelle gaslov.

• Den ideelle gaslov er PV = nRT, hvor P er pres, V er volumen, n er antallet af mol af gassen, R er gaskonstant og T er temperatur.

Specifikt er den ideelle gaslov afledt af fire enklere gaslove, der viser dele af forholdene i den kombinerede gaslov. De er:

• Boyles lov: Et gastryk er omvendt proportionalt med dets volumen ved en konstant temperatur og gasmængde.
• Charles 'lov: Et gasvolumen og temperatur er proportionale, når trykket holdes konstant.
• Avogadros lov: Volumenet af en gas er proportional med mængden af ​​gas, når tryk og temperatur er konstant.
• Amontons lov: Trykket og temperaturen på en gas er proportional, så længe gasens mængde og volumen holdes konstant.