Kaasut (fysiikka): Määritelmä, ominaisuudet ja esimerkit

Ilma, jota hengitämme ja liikkumme päivittäin, syntymäpäiväilmapallojemme helium ja kodin lämmitykseen käytetty metaani ovat kaikki yleisiä esimerkkejä kaasuista. Kaasu on yksi aineen kolmesta päätilasta yhdessä kiinteiden aineiden ja nesteiden kanssa.

Aineen tilat eroavat toisistaan ​​sen mukaan, kuinka lähellä hiukkasia on pakattu - seurausta siitä, kuinka paljon kineettistä energiaa niillä on - mikä johtaa selkeisiin ominaisuuksiin.

Kiinteässä tilassa aine on tiiviimmin pakattu. Kiinteässä aineessa olevia molekyylejä pitävät yhdessä atomisidokset ja vetovoimat. Seurauksena on, että ne värisevät paikoillaan eikä virtaavat vapaasti ympäriinsä. Kiinteillä aineilla on määrätyt muodot ja tilavuudet, eikä niitä ole helppo pakata; eli ne pitävät muotonsa melko hyvin.

Nestemäisessä tilassa aine on vähemmän tiiviisti pakattu kuin kiinteässä aineessa, heikompien molekyylien välisten sidosten ansiosta. Kun gravitaatiokentän läsnä ollessa, neste saa astiansa muodon; painovoiman puuttuessa siitä muodostuu pallomaisia ​​muotoja.

Kaasumaisessa tilassa aine kokee heikkoja vuorovaikutuksia itsensä kanssa. Hiukkaset voivat liikkua melko vapaasti. Tämän seurauksena kaasut saavat muodon ja tilavuuden riippumatta siitä, missä astiassa ne ovat. Avaa uuni kakun paistamisen jälkeen, ja sisällä oleva kaasu leviää taloon niin, että kakku hajuisi jokaisesta huoneesta.

Fyysikoiden uusin aineen tila on plasma, tila, jossa aineet itse muodostavat atomit hajoavat. Plasmaa esiintyy vain äärimmäisissä lämpötiloissa ja paineissa, kuten auringon keskellä. Koska elektronit irrotetaan atomeista näissä olosuhteissa, plasma pääsee lopulta vapaiden elektronien, jäljelle jääneiden positiivisesti varautuneiden ionien ja neutraalien atomien seokseksi. Käyttäytymisen kannalta plasma toimii kuin kaasu, mutta siihen liittyvien varausten vuoksi sillä on myös sähkömagneettisia ominaisuuksia.

Aine voi muuttua tilasta toiseen paineen ja lämpötilan olosuhteista riippuen. Tällainen muutos tunnetaan nimellä vaihemuutos. Esimerkiksi kiinteä vesi jään muodossa kuumennettaessa kiehumispisteeseen sulaa nestemäiseksi vedeksi, joka puolestaan ​​haihtuu vesihöyryksi vielä lisätyllä lämmöllä.

Haihdutuksen vastakohta on kondensaatio. Kun kaasu tiivistyy, siitä tulee nestettä.

Kiinteä aine voi siirtyä suoraan aineen kaasumaiseen tilaan käymällä läpi sublimaatio. Sublimointi tapahtuu, kun kiinteä aine on tietyssä paineessa kolmoiskohdan alapuolella vaihekaaviossa. Esimerkiksi kuiva jää (kiinteä hiilidioksidi) sublimoituu kuumennettaessa yhdessä ilmakehässä, toisin kuin "tavallinen" jää (vesi), joka yksinkertaisesti sulaa nesteenä kuumennettaessa yhdessä ilmakehässä.

Kaasun muodollinen fysiikkakuvaus on aine, jolla ei ole määrättyä tilavuutta (jota kutsutaan myös kiinteäksi tilavuudeksi) tai määrättyä muotoa. Sen sijaan kaasu saa astiansa muodon, koska kaasumolekyylit voivat liikkua vapaasti toistensa ohitse.

Kuuluisa hypoteettinen ongelma, jonka merkittävä hiukkasfyysikko Enrico Fermi on luonut, auttaa havainnollistamaan tätä. Fermi pyysi oppilaitaan arvioimaan, kuinka monta Caesarin kuolevan hengityksen molekyyliä ihminen voi odottaa kohtaavansa jokaisen oman sisäänhengityksen kanssa. Olettaen, että Rooman keisarin viimeinen henkäys on jakautunut tasaisesti ympäri maailmaa (eikä se ole absorboinut sitä uudelleen valtameri tai kasvit), laskelmat osoittavat, että nykyiset elävät olennot hengittävät noin yhtä molekyyliä kuolevasta hengityksestään jokaisen kanssa heidän.

Vaikka neste voi myös muodostaa astiansa, neste ei muuta tilavuuttaan ilman apua. Mutta kaasu leviää aina täyttämään säiliönsä ja päinvastoin se voidaan puristaa pienempään säiliöön.

Tärkeä mitta kaasun kuvaamiseksi on paine. Kaasun paine on voimaa pinta-alayksikköä kohden, jonka kaasu kohdistuu säiliöönsä. Suurempi paine johtaa enemmän voimaan, ja päinvastoin.

Esimerkiksi korkeaan paineeseen pumpattu pyörärengas tuntuu opetetulta ja kovalta ulkopuolelta. Matalapaineinen rengas puolestaan ​​käyttää vähemmän ulospäin suuntautuvaa voimaa, ja sen seurauksena se tuntuu levykemmältä ja pehmeämmältä.

Toinen keskeinen ominaisuus kaasulle on sen lämpötila. Kaasun lämpötila määritellään keskimääräisen kineettisen energian mittana kaasussa olevaa molekyyliä kohti. Koska kaikki molekyylit värisevät, niillä kaikilla on jonkin verran kineettistä energiaa.

Sekä painetta että lämpötilaa tarvitaan sen määrittämiseksi, onko aineen tila kaasumainen. Jotkut materiaalit ovat kaasuja vain korkeissa lämpötiloissa, kun taas toiset ovat kaasuja matalissa tai huoneen lämpötiloissa. Samaan aikaan jotkut materiaalit ovat vain kaasuja korkeissa lämpötiloissa ja matalat paineet. Vaihekaavio näyttää aineen tilan tietylle aineelle eri lämpötilan ja paineen yhdistelmissä.

Kaasuja on paljon ympäröivässä maailmassa. Hiilidioksidia, yleistä kasvihuonekaasua, vapautuu polttamalla polttoainetta monien ihmiskunnan nykyisten toimintojen voimaan. Kun nestemäinen vesi höyrystyy, siitä tulee höyryä tai vesihöyryä - prosessi, joka tapahtuu liesi yläosissa ja lammikoissa auringon alla.

Ilmassa tunnettujen kaasujen seos - joka on tyypillisesti 78 prosenttia typpeä, 21 prosenttia happea ja 1 prosentti muut kaasut - ympäröivät kaikki maanpäälliset olennot ja vaihtavat kehoaan hengitysteiden kautta järjestelmään. Hengittäessään monet eläimet imevät happea ilmasta ja poistavat hiilidioksidin kehostaan, kun taas monet kasvit tekevät päinvastoin, ottamalla sisään hiilidioksidia ja päästämällä happea.

Auttaakseen paremmin selittämään kaasujen käyttäytymistä fyysikot haluavat arvioida, miten kaasut käyttäytyisivät, jos ne koostuisivat monista pistehiukkaset, jotka liikkuvat suorina viivoina eivätkä tunne molekyylien välisiä voimia - toisin sanoen olematta vuorovaikutuksessa yhden kanssa toinen.

Tietenkään mikään kaasu ei ole oikeastaan ​​ihanteellinen, mutta tarkastelemalla miten kaasu olisi toimivat tällaisen kuvauksen alla, fyysikot pystyvät yhdistämään useita yksinkertaisia ​​kaasumaisia ​​ominaisuuksia koskevia lakeja yhdeksi: ihanteellinen kaasulaki.

• Ihanteellinen kaasulaki on PV = nRT, missä P on paine, V on äänenvoimakkuus, n on kaasumoolien lukumäärä, R on kaasuvakio ja T on lämpötila.

Erityisesti ihanteellinen kaasulaki on johdettu neljästä yksinkertaisemmasta kaasulakista, jotka esittävät osia yhdistetyn kaasulain suhteista. He ovat:

• Boylen laki: Kaasun paine on kääntäen verrannollinen sen tilavuuteen vakiolämpötilassa ja kaasumäärässä.
• Charlesin laki: Kaasun tilavuus ja lämpötila ovat verrannollisia, kun paine pidetään vakiona.
• Avogadron laki: Kaasun tilavuus on verrannollinen kaasun määrään, kun paine ja lämpötila ovat vakiot.
• Amontonin laki: Kaasun paine ja lämpötila ovat verrannollisia, kunhan kaasun määrää ja tilavuutta pidetään vakiona.