Zrak koji svakodnevno udišemo i krećemo, helij u našim rođendanskim balonima i metan koji se koristi za grijanje kuće, uobičajeni su primjeri plinova. Plin je jedno od tri glavna stanja tvari, zajedno s krutim tvarima i tekućinama.
Države materije
Stanja materije razlikuju se ovisno o tome koliko su čestice čvrsto upakirane - posljedica koliko kinetičke energije imaju - što rezultira različitim karakteristikama.
U svom čvrstom stanju materija je najuže spakirana. Molekule u krutini drže se zajedno atomskim vezama i atrakcijama. Kao rezultat, oni vibriraju na mjestu, a ne slobodno teku okolo. Čvrste tvari imaju određene oblike i zapremine i nisu lako komprimirane; odnosno prilično dobro drže oblik.
U svom tekućem stanju tvar je slabije spakirana nego u krutom stanju, zahvaljujući slabijim međumolekularnim vezama. Kada je u prisutnosti gravitacijskog polja, tekućina će poprimiti oblik svoje posude; u odsustvu gravitacije oblikuje se u sferne oblike.
U svom plinovitom stanju materija doživljava slabe interakcije sa sobom. Čestice se mogu kretati sasvim slobodno. Kao rezultat, plinovi poprimaju oblik i volumen bilo kojeg spremnika u kojem se nalaze. Otvorite pećnicu nakon što ste ispekli kolač, a plin koji se nalazio širit će se cijelom kućom tako da se kolač može osjetiti iz svake prostorije.
Najnovije stanje materije poznato fizičarima je plazma, stanje u kojem se atomi koji čine materiju sami raspadaju. Plazma se javlja samo pri ekstremnim temperaturama i pritiscima, poput onih koji se nalaze u središtu sunca. Budući da se u tim uvjetima elektroni oduzimaju od atoma, plazma završava smjesom slobodnih elektrona, ostataka pozitivno nabijenih iona i neutralnih atoma. Što se tiče ponašanja, plazma djeluje poput plina, ali zbog napunjenosti također ima elektromagnetska svojstva.
Fazne promjene
Materija se može mijenjati iz jednog stanja u drugo, ovisno o uvjetima pritiska i temperature. Takva je transformacija poznata kao promjena faze. Primjerice, čvrsta voda u obliku leda kada se zagrije do točke vrenja rastopit će se u tekuću vodu, koja će zauzvrat ispariti u vodenu paru s još više dodane topline.
Suprotno isparavanju je kondenzacija. Kad se plin kondenzira, postaje tekućina.
Čvrsta supstanca može prijelazom izravno prijeći u plinovito stanje materije sublimacija. Sublimacija se događa kada je krutina pod fazom dijagrama pod određenim tlakom ispod svoje trostruke točke. Primjerice, suhi led (kruti ugljični dioksid) sublimira se zagrijavanjem u jednoj atmosferi, za razliku od "običnog" leda (vode) koji se jednostavno zagrijava u jednoj atmosferi.
Definicija plina
Formalni fizikalni opis plina je tvar koja nema određeni volumen (koji se naziva i fiksni volumen) ili određeni oblik. Umjesto toga, plin će dobiti oblik svoje posude jer se molekule plina mogu slobodno kretati jedna pored druge.
To ilustrira poznati hipotetski problem koji je stvorio istaknuti fizičar čestica Enrico Fermi. Fermi je zamolio svoje učenike da približe koliko molekula Cezarovog umirućeg daha čovjek danas može očekivati da će se susresti sa svakim svojim udisajem. Pod pretpostavkom da se posljednji dah rimskog cara do sada ravnomjerno rasporedio po cijelom svijetu (i nije ga ponovno upio oceana ili biljaka), izračuni pokazuju da današnja živa bića udišu oko jedne molekule njegovog umirućeg daha sa svakom od njih njihova.
Iako tekućina može dobiti oblik svoje posude, tekućina ne mijenja svoj volumen bez pomoći. Ali plin će se uvijek širiti kako bi napunio svoj spremnik i, obratno, može se stisnuti u manji spremnik.
Fizička svojstva plinova
Važno mjerenje za opisivanje plina je pritisak. Tlak plina je sila po jedinici površine koju plin vrši na svoj spremnik. Veći pritisak dovodi do veće sile, i obrnuto.
Na primjer, biciklistička guma pumpana do visokog tlaka izvana se osjeća poučeno i tvrdo. S druge strane, niskotlačna guma djeluje manje prema van, što rezultira plutajućim i mekšim osjećajem.
Sljedeća ključna karakteristika plina je njegova temperatura. Temperatura plina definirana je kao mjera prosječne kinetičke energije po molekuli u plinu. Budući da sve molekule vibriraju, sve one imaju određenu količinu kinetičke energije.
I tlak i temperatura potrebni su da bi se utvrdilo je li stanje materije plinovito. Neki su materijali plinovi samo na visokim temperaturama, dok su drugi plinovi na niskim temperaturama ili sobnoj temperaturi. U međuvremenu, neki su materijali samo plinovi na visokim temperaturama i niski tlakovi. Fazni dijagram prikazuje stanje tvari za datu tvar pri različitim kombinacijama temperature i tlaka.
Primjeri plinova
Plinova ima u svijetu oko nas. Ugljični dioksid, uobičajeni staklenički plin, ispušta se prilikom sagorijevanja goriva za pokretanje mnogih trenutnih aktivnosti čovječanstva. Kad tekuća voda ispari, ona postaje para ili vodena para - proces koji se događa na pločama štednjaka i u lokvama vani pod suncem.
Smjesa plinova poznata kao zrak - koja je obično 78 posto dušika, 21 posto kisika i 1 posto ostali plinovi - okružuje sva kopnena stvorenja i razmjenjuje se s njihovim tijelima kroz dišni sustav sustav. Tijekom disanja mnoge životinje izvlače kisik iz zraka i uklanjaju ugljični dioksid iz tijela, dok mnoge biljke čine suprotno, uzimajući ugljični dioksid i odajući kisik.
Idealni plin
Kako bi bolje objasnili ponašanje plinova, fizičari vole približno odrediti kako bi se plinovi ponašali kada bi ih činili mnogi točkaste čestice koje se kreću pravocrtno i ne doživljavaju intermolekularne sile - drugim riječima, bez interakcije s jednom još.
Naravno, nijedan plin zapravo nije idealan, ali uzimajući u obzir kako plin bi djelujući pod takvim opisom, fizičari su sposobni kombinirati više jednostavnih zakona o plinovitim svojstvima u jedan: zakon o idealnom plinu.
Savjeti
Zakon o idealnom plinu je PV = nRT, gdje Str je pritisak, V je volumen, n je broj molova plina, R je plinska konstanta i T je temperatura.
Konkretno, zakon o idealnom plinu izveden je iz četiri jednostavnija zakona o plinu koji pokazuju dijelove odnosa u kombiniranom zakonu o plinu. Oni su:
- Boyleov zakon: Tlak plina je obrnuto proporcionalan njegovom volumenu pri konstantnoj temperaturi i količini plina.
- Charlesov zakon: Količina i temperatura plina proporcionalni su kada se tlak održava konstantnim.
- Avogadrov zakon: Količina plina proporcionalna je količini plina kada su tlak i temperatura konstantni.
- Amontonov zakon: Tlak i temperatura plina proporcionalni su sve dok se količina i volumen plina održavaju konstantnima.