Gázok (fizika): Meghatározás, tulajdonságok és példák

A levegő, amelyet naponta lélegzünk és mozgatunk, a születésnapi lufinkban levő hélium és az otthoni fűtéshez használt metán mind gyakori példa a gázokra. A gáz az anyag három fő állapotának egyike, a szilárd anyagokkal és folyadékokkal együtt.

Az anyagállapotok abban különböznek, hogy a részecskék milyen szorosan vannak becsomagolva - annak következménye, hogy mekkora kinetikus energiájuk van -, amelyek eltérő jellemzőket eredményeznek.

Szilárd állapotában az anyag a legszorosabban tömörül. A szilárd anyagban lévő molekulákat atomkötések és vonzerők tartják össze. Ennek eredményeként a helyükön rezegnek, nem pedig szabadon áramlanak. A szilárd anyagok határozott alakúak és térfogatúak, és nem könnyen összenyomhatók; vagyis elég jól megtartják alakjukat.

Folyékony állapotában az anyag kevésbé szorosan tömörül, mint szilárd anyagban, a gyengébb molekulák közötti kötéseknek köszönhetően. Ha egy gravitációs mező jelenlétében a folyadék a tartályának alakját veszi fel; gravitáció hiányában gömb alakúvá alakul.

Az anyag gázállapotában gyenge kölcsönhatást tapasztal önmagával. A részecskék elég szabadon mozoghatnak. Ennek eredményeként a gázok bármilyen tartály alakját és térfogatát felveszik. Sütés után nyissa ki a sütőt, és a benne lévő gáz el fog terjedni az egész házban, így a torta minden helyiségéből érezhető az illata.

A fizikusok által ismert legújabb anyagállapot a plazma, egy olyan állapot, amelyben az anyagot alkotó atomok lebomlanak. A plazma csak extrém hőmérsékleten és nyomáson fordul elő, például a nap közepén. Mivel ilyen körülmények között az elektronokat leválasztják az atomokról, a plazma végül szabad elektronok, a maradék pozitív töltésű ionok és a semleges atomok keveréke lesz. Viselkedését tekintve a plazma úgy viselkedik, mint egy gáz, de az érintett töltések miatt elektromágneses tulajdonságokkal is rendelkezik.

Az anyag egyik állapotból a másikba változhat a nyomás és a hőmérséklet körülményeitől függően. Egy ilyen átalakulás a fázis váltás. Például a szilárd víz jég formájában, forráspontjáig melegítve folyékony vízzé olvad, amely viszont még több hozzáadott hővel vízgőzzé párolog.

A párolgás ellentéte a páralecsapódás. Amikor egy gáz kondenzálódik, folyadékká válik.

A szilárd anyag átjuthat közvetlenül az anyag gázállapotába szublimáció. A szublimáció akkor történik, amikor egy szilárd anyag egy fázisdiagramon egy adott nyomáson a hármaspontja alatt van. Például a szárazjég (szilárd szén-dioxid) egy atmoszférában melegítve szublimálódik, ellentétben a "szokásos" jéggel (vízzel), amely egyszerűen folyadékká olvad, ha egy atmoszférában melegszik.

A gáz formális fizikai leírása olyan anyag, amelynek nincs meghatározott térfogata (más néven rögzített térfogata), vagy határozott alakja. Ehelyett egy gáz a tartályának alakját fogja ölni, mert a gázmolekulák szabadon mozoghatnak egymás mellett.

Enrico Fermi, a kiemelkedő részecskefizikus által létrehozott híres hipotetikus probléma segít ezt szemléltetni. Fermi arra kérte tanítványait, hogy közelítsék meg, hány ember számíthat Caesar halálos leheletéből egy embernek, aki találkozhat saját inhalációival. Feltételezve, hogy a római császár utolsó lehelete mára egyenletesen oszlott el a világon (és a óceán vagy növények), a számítások azt mutatják, hogy a mai élőlények mindegyikével belehatnak haldokló lélegzetének körülbelül egy molekulájába övék.

Bár egy folyadék a tartályának alakját is felveheti, a folyadék segítség nélkül nem változtatja meg a térfogatát. De a gáz mindig szétterül, hogy megtöltse a tartályát, és fordítva, kisebb tartályba tömöríthető.

Fontos mérés a gáz leírására nyomás. A gáz nyomása a területegységre eső erő, amelyet a gáz a tartályán fejt ki. A nagyobb nyomás nagyobb erőhöz vezet, és fordítva.

Például egy magas nyomásig szivattyúzott kerékpár gumiabroncs kívülről tanítottnak és keménynek érzi magát. Az alacsony nyomású gumiabroncs viszont kevésbé fejt ki kifelé irányuló erőt, ennek eredményeként floppibbnak és puhábbnak érzi magát.

A gáz másik fontos jellemzője hőfok. A gáz hőmérsékletét a gázban lévő molekulára jutó átlagos kinetikus energia mértékeként határozzuk meg. Mivel az összes molekula rezeg, valamennyien kinetikus energiájuk van.

Mind nyomásra, mind hőmérsékletre van szükség annak megállapításához, hogy az anyag állapota gáz-e. Egyes anyagok csak magas hőmérsékleten gázok, míg mások alacsony hőmérsékleten vagy szobahőmérsékleten. Eközben egyes anyagok csak magas hőmérsékleten gázok és alacsony nyomás. A fázisdiagram az anyag anyagállapotát mutatja a hőmérséklet és a nyomás különböző kombinációinál.

Gázok vannak a körülöttünk lévő világban. A szén-dioxidot, amely egy általános üvegházhatású gáz, az üzemanyag elégetésekor bocsátják ki, hogy ezzel az emberiség számos tevékenységét meghasználják. Amikor a folyékony víz elpárolog, gőzzé vagy vízgőzzé válik - ez a folyamat a kályha tetején és a tócsákon kívül, a nap alatt történik.

Levegő néven ismert gázkeverék - amely jellemzően 78% nitrogén, 21% oxigén és 1% más gázok - körülvesznek minden földi lényt és cserélnek testükkel a légzőszerveken keresztül rendszer. Légzéskor sok állat kivonja az oxigént a levegőből és eltávolítja testéből a szén-dioxidot, míg sok növény az ellenkezőjét követi el, szén-dioxidot vesz be és oxigént bocsát ki.

A gázok viselkedésének jobb megmagyarázása érdekében a fizikusok szeretnék megközelíteni, hogy a gázok hogyan viselkednének, ha sokból lennének pont részecskék, amelyek egyenes vonalakban mozognak, és nem tapasztalják meg az intermolekuláris erőket - más szóval anélkül, hogy kölcsönhatásba lépnének egymással egy másik.

Természetesen egyetlen gáz sem ideális, de ha figyelembe vesszük, hogy egy gáz lenne ilyen leírás szerint járnak el, a fizikusok több egyszerű törvényt egyesíthetnek a gáznemű tulajdonságokkal kapcsolatban: az ideális gáztörvényt.

• Az ideális gáztörvény az PV = nRT, hol P a nyomás, V kötet, n a gáz móljainak száma, R a gázállandó és T a hőmérséklet.

Pontosabban, az ideális gáztörvény négy egyszerűbb gáztörvényből származik, amelyek bemutatják a kombinált gáztörvény összefüggéseinek darabjait. Ők:

• Boyle törvénye: A gáz nyomása fordítottan arányos a térfogatával állandó hőmérsékleten és gázmennyiségnél.
• Charles törvénye: A gáz térfogata és hőmérséklete arányos, ha a nyomást állandó értéken tartják.
• Avogadro törvénye: A gáz térfogata arányos a gáz mennyiségével, ha a nyomás és a hőmérséklet állandó.
• Amonton törvénye: A gáz nyomása és hőmérséklete mindaddig arányos, amíg a gáz mennyiségét és térfogatát állandó értéken tartják.