Gaasid (füüsika): määratlus, omadused ja näited

Õhk, mida igapäevaselt hingame ja mida läbi liigume, sünnipäevaõhupallides sisalduv heelium ja kodukütteks kasutatav metaan on kõik tavalised näited gaasidest. Gaas on koos tahkete ainete ja vedelikega üks kolmest peamisest aineseisundist.

Mateeria olekud erinevad vastavalt sellele, kui tihedalt osakesed on kokku pakitud - kineetilise energia tagajärg -, mille tulemuseks on erinevad omadused.

Tahkes olekus on aine kõige tihedamalt kokku pakitud. Tahkes olekus olevaid molekule hoiavad koos aatomi sidemed ja atraktsioonid. Selle tulemusena vibreerivad nad pigem paigas kui voolavad vabalt ringi. Tahketel ainetel on kindel kuju ja maht ning neid pole kerge kokku suruda; see tähendab, et nad hoiavad oma kuju üsna hästi.

Vedelas olekus on aine tänu nõrgematele molekulidevahelistele sidemetele vähem tihedalt kokku pandud kui tahke aine. Gravitatsioonivälja olemasolul saab vedelik oma anuma kuju; gravitatsiooni puudumisel moodustab see sfäärilised kujundid.

Gaasilises olekus kogeb aine endaga nõrku koostoimeid. Osakesed saavad üsna vabalt ringi liikuda. Selle tulemusel omandavad gaasid mis tahes anuma kuju ja mahu. Pärast koogi küpsetamist avage ahi ja sees olnud gaas levib kogu majas, nii et kooki saab igast toast tunda.

Füüsikutele teadaolev uusim aine seisund on plasma - seisund, mille käigus ained ise moodustavad aatomid lagunevad. Plasma esineb ainult äärmuslikel temperatuuridel ja rõhul, näiteks päikese keskel. Kuna sellistes tingimustes eemaldatakse elektronid aatomitest, on plasma lõpuks vabade elektronide, positiivselt laetud ioonide ja neutraalsete aatomite segu. Käitumise mõttes toimib plasma nagu gaas, kuid kaasatud laengute tõttu on sellel ka elektromagnetilised omadused.

Materjal võib muutuda ühest olekust teise sõltuvalt rõhu ja temperatuuri tingimustest. Sellist transformatsiooni tuntakse kui faasimuutus. Näiteks sulab jää kujul olev tahke vesi keemispunktini kuumutades vedelaks veeks, mis omakorda aurustub veelgi suurema kuumuse korral veeauruks.

Aurustumise vastand on kondenseerumine. Kui gaas kondenseerub, muutub see vedelaks.

Tahke aine võib selle toimel minna otse aine gaasilisse olekusse sublimatsioon. Sublimatsioon toimub siis, kui tahke aine on faasiskeemil teatud rõhul allpool selle kolmikpunkti. Näiteks kuiv jää (tahke süsinikdioksiid) sublimeerub ühes atmosfääris kuumutamisel, erinevalt "tavalisest" jääst (veest), mis ühes atmosfääris kuumutades lihtsalt vedelaks sulab.

Gaasi ametlik füüsikaline kirjeldus on aine, millel puudub kindel maht (nimetatakse ka fikseeritud mahuks) ega kindel kuju. Selle asemel saab gaas oma mahuti kuju, kuna gaasimolekulid saavad üksteisest vabalt mööda liikuda.

Seda aitab illustreerida kuulus hüpoteetiline probleem, mille on loonud silmapaistev osakestefüüsik Enrico Fermi. Fermi palus oma õpilastel anda ligikaudne arv, kui palju Caesari sureva hingeõhu molekule võib inimene tänapäeval omaenda sissehingamistega kokku puutuda. Eeldades, et Rooma keisri viimane hingetõmme on praeguseks kogu maailmas ühtlaselt jaotunud (ja seda pole ookean või taimed), arvutused näitavad, et tänapäeva elusolendid hingavad igaühega oma surevas hingeõhus umbes ühte molekuli nende omad.

Kuigi vedelik võib võtta ka oma anuma kuju, ei muuda vedelik ilma abita oma mahtu. Kuid gaas levib alati oma anuma täitmiseks ja vastupidi, selle saab kokku suruda väiksemaks mahutiks.

Oluline mõõtmine gaasi kirjeldamiseks on surve. Gaasi rõhk on jõud pinnaühiku kohta, mida gaas avaldab oma mahutis. Suurem rõhk toob kaasa suurema jõu ja vastupidi.

Näiteks tunneb kõrgsurve alla pumbatud jalgratta rehv väljastpoolt õpetust ja raskust. Madalrõhuline rehv avaldab seevastu vähem jõudu väljapoole ja seetõttu tundub see flopim ja pehmem.

Teine gaasi peamine omadus on selle gaas temperatuur. Gaasi temperatuuri määratletakse keskmise kineetilise energia mõõtmena gaasis oleva molekuli kohta. Kuna kõik molekulid vibreerivad, on neil kõigil teatav kogus kineetilist energiat.

Mõlemad rõhud ja temperatuur on vajalikud, et teha kindlaks, kas aine olek on gaasiline. Mõned materjalid on gaasid ainult kõrgel temperatuuril, teised aga madalal või toatemperatuuril. Vahepeal on mõned materjalid ainult kõrgel temperatuuril gaasid ja madal rõhk. Faasiskeem näitab aine olekut antud aine korral erinevatel temperatuuri ja rõhu kombinatsioonidel.

Gaase on meid ümbritsevas maailmas palju. Süsinikdioksiid, tavaline kasvuhoonegaas, eraldub kütuse põletamisel inimkonna paljude praeguste tegevuste võimendamiseks. Kui vedel vesi aurustub, muutub see auruks või veeauruks - see protsess toimub pliidiplaatidel ja lompides päikese all.

Gaaside segu, mida nimetatakse õhuks - mis on tavaliselt 78 protsenti lämmastikku, 21 protsenti hapnikku ja 1 protsenti muud gaasid - ümbritseb kõiki maapealseid olendeid ja vahetub nende kehaga hingamisteede kaudu süsteemi. Hingamisel tõmbavad paljud loomad õhust hapnikku ja väljutavad kehast süsinikdioksiidi, samal ajal kui paljud taimed teevad vastupidist, võttes sisse süsinikdioksiidi ja eraldades hapnikku.

Gaaside käitumise paremaks selgitamiseks soovivad füüsikud ligikaudselt öelda, kuidas gaasid käituksid, kui need koosneksid paljudest punktiosakesed, mis liiguvad sirgjooneliselt ega koge molekulidevahelisi jõude - teisisõnu, ilma ühega suhtlemata teine.

Muidugi pole ükski gaas tegelikult ideaalne, kuid arvestades seda, kuidas gaas oleks tegutseda sellise kirjelduse all, suudavad füüsikud ühendada mitu lihtsat seadust gaasiliste omaduste kohta üheks: ideaalseks gaasiseaduseks.

• Ideaalne gaasiseadus on PV = nRT, kus P on surve, V on maht, n on gaasi moolide arv, R on gaasikonstant ja T on temperatuur.

Täpsemalt tuletatakse ideaalsest gaasiseadusest neljast lihtsamast gaasiseadusest, mis näitavad tükke seoseid kombineeritud gaasiseaduses. Nemad on:

• Boyle'i seadus: gaasi rõhk on pöördvõrdeline selle mahuga konstantsel temperatuuril ja gaasikoguses.
• Charlesi seadus: rõhu konstantsel hoidmisel on gaasi maht ja temperatuur proportsionaalsed.
• Avogadro seadus: kui rõhk ja temperatuur on konstantsed, on gaasi maht proportsionaalne gaasi kogusega.
• Amontoni seadus: gaasi rõhk ja temperatuur on proportsionaalsed seni, kuni gaasi kogus ja maht hoitakse konstantsena.