גזים (פיזיקה): הגדרה, מאפיינים ודוגמאות

האוויר שאנו נושמים ועוברים מדי יום, ההליום בבלוני יום ההולדת שלנו והמתאן המשמש לחימום הבית הם דוגמאות נפוצות לגזים. גז הוא אחד משלושת מצבי החומר העיקריים, יחד עם מוצקים ונוזלים.

מצבי החומר נבדלים על פי מידת הצפיפות של החלקיקים - תוצאה של כמה אנרגיה קינטית שיש להם - מה שמביא למאפיינים מובחנים.

במצב מוצק, החומר הוא הדחוס ביותר. המולקולות במוצק מוחזקות על ידי קשרים אטומיים ואטרקציות. כתוצאה מכך הם רוטטים במקום ולא זורמים בחופשיות מסביב. למוצקים צורות ונפחים מוגדרים, והם אינם דחוסים בקלות; כלומר הם שומרים על צורתם די טוב.

במצב נוזלי, חומר ארוז פחות מקרוב מאשר במוצק, הודות לקשרים בין מולקולריים חלשים יותר. כאשר בנוכחות שדה כבידה, נוזל יקבל את צורת המיכל שלו; בהיעדר כוח משיכה, הוא נוצר לצורות כדוריות.

במצבו הגזי, החומר חווה אינטראקציות חלשות עם עצמו. חלקיקים יכולים להסתובב די בחופשיות. כתוצאה מכך, גזים מקבלים צורה ונפח של כל מיכל שהם נמצאים בו. פתח את התנור לאחר אפיית עוגה, והגז שהיה בפנים יתפשט ברחבי הבית כך שניתן יהיה להריח את העוגה מכל חדר.

המצב החדש ביותר של חומר שידועים לפיזיקאים הוא פלזמה, מצב בו האטומים המרכיבים את החומר עצמם מתפרקים. פלזמה מתרחשת רק בטמפרטורות ולחצים קיצוניים, כמו אלה שנמצאים במרכז השמש. מכיוון שהאלקטרונים מוסרים מאטומים בתנאים אלה, בסופו של דבר פלזמה היא תערובת של אלקטרונים חופשיים, שאריות היונים הטעונות באופן חיובי ואטומים ניטרליים. מבחינת התנהגות, פלזמה פועלת כמו גז, אך בגלל המטענים הכרוכים בה, יש לה גם תכונות אלקטרומגנטיות.

חומר יכול להשתנות ממצב אחד למשנהו בהתאם לתנאי הלחץ והטמפרטורה. שינוי כזה מכונה a שינוי פאזה. לדוגמא, מים מוצקים בצורת קרח כשמחממים אותם עד לנקודת הרתיחה שלהם ימסו למים נוזליים, שבתורם יתאדו לאדי מים בתוספת חום נוסף.

ההפך מאידוי הוא עיבוי. כשגז מתעבה הוא הופך לנוזל.

מוצק יכול לעבור ישירות למצב גזי של חומר על ידי מעבר הַאֲצָלָה. סובלימציה מתרחשת כאשר מוצק נמצא בלחץ מסוים מתחת לנקודה המשולשת שלו בתרשים פאזה. לדוגמא, קרח יבש (פחמן דו חמצני מוצק) סובלימציה כאשר הוא מחומם באטמוספירה אחת, בניגוד לקרח "מים" רגיל ("רגיל") שפשוט נמס לנוזל כשמחממים אותו באטמוספירה אחת.

תיאור הפיזיקה הפורמלי של גז הוא חומר שאין לו נפח מוגדר (נקרא גם נפח קבוע) או צורה מוגדרת. במקום זאת, גז יקבל את צורת המכל שלו מכיוון שמולקולות הגז יכולות לנוע בחופשיות זו על פני זו.

בעיה היפותטית מפורסמת שנוצרה על ידי פיסיקאי החלקיקים הבולט אנריקו פרמי עוזרת להמחיש זאת. פרמי ביקש מתלמידיו לבחון כמה מולקולות של נשימתו הגוססת של קיסר האדם יכול לצפות להיפגש עם כל אחד מהשאיפות שלהם. בהנחה שהנשימה האחרונה של הקיסר הרומי התפשטה באופן שווה על פני הגלובוס עד עכשיו (ולא נאספה מחדש על ידי אוקיינוס ​​או צמחים), חישובים מראים כי היצורים החיים של ימינו נושמים במולקולה אחת של נשימתו הגוססת עם כל אחת מהן שֶׁלָהֶם.

למרות שנוזל יכול גם לקבל את צורת המיכל שלו, נוזל אינו משנה את נפחו ללא עזרה. אך גז תמיד יתפשט למילוי מיכלו, ולהפך, ניתן לדחוס אותו למיכל קטן יותר.

מדידה חשובה לתיאור גז היא לַחַץ. לחץ הגז הוא הכוח ליחידת שטח שהגז מפעיל על מיכלו. לחץ רב יותר מוביל לכוח רב יותר, ולהיפך.

לדוגמא, צמיג אופניים שנשאב ללחץ גבוה מרגיש מלומד וקשה מבחוץ. לעומת זאת, צמיג בלחץ נמוך מפעיל פחות כוח כלפי חוץ, וכתוצאה מכך הוא מרגיש מרושל ורך יותר.

מאפיין מרכזי נוסף של גז הוא טֶמפֶּרָטוּרָה. הטמפרטורה של גז מוגדרת כמדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת למולקולה בגז. מכיוון שכל המולקולות רוטטות, לכולן יש אנרגיה קינטית מסוימת.

יש צורך גם בלחץ וגם בטמפרטורה כדי לקבוע אם מצב החומר הוא גזי. יש חומרים שהם גזים רק בטמפרטורות גבוהות, בעוד שאחרים הם גזים בטמפרטורות נמוכות או בטמפרטורת החדר. בינתיים, ישנם חומרים שהם רק גזים בטמפרטורות גבוהות ו לחצים נמוכים. תרשים פאזה מראה את מצב החומר של חומר נתון בשילובים שונים של טמפרטורה ולחץ.

גזים יש בשפע בעולם הסובב אותנו. פחמן דו חמצני, גז חממה נפוץ, מופץ בעת שריפת דלק כדי להניע הרבה מהפעילות הנוכחית של האנושות. כאשר מים נוזלים מתאדים הם הופכים לאדים או לאדי מים - תהליך המתרחש על גבי כיריים ובשלוליות בחוץ מתחת לשמש.

תערובת הגזים המכונה אוויר - שהיא בדרך כלל 78 אחוז חנקן, 21 אחוז חמצן ואחוז אחד גזים אחרים - מקיפים את כל היצורים הארציים ומתחלפים עם גופם דרך הנשימה מערכת. בעת נשימה בעלי חיים רבים מוציאים חמצן מהאוויר ומסלקים פחמן דו חמצני מגופם, בעוד שצמחים רבים עושים את ההפך, נוטלים פחמן דו חמצני ומוציאים חמצן.

כדי לעזור להסביר טוב יותר את התנהגות הגזים, פיזיקאים אוהבים לבחון את האופן שבו הגזים היו מתנהגים אם הם היו עשויים רבים. חלקיקי נקודה נעים בקווים ישרים ולא חווים כוחות בין מולקולריים - במילים אחרות, מבלי לקיים אינטראקציה עם אחד כזה אַחֵר.

כמובן, אף גז אינו למעשה אידיאלי, אלא על ידי בחינת אופן הגז היה פועלים על פי תיאור כזה, פיזיקאים מסוגלים לשלב מספר חוקים פשוטים על תכונות גזיות לאחד: חוק הגז האידיאלי.

• חוק הגז האידיאלי הוא PV = nRT, איפה פ זה לחץ, ו הוא נפח, נ הוא מספר השומות של הגז, ר האם הגז קבוע ו ט הוא טמפרטורה.

באופן ספציפי, חוק הגז האידיאלי נגזר מארבעה חוקי גז פשוטים יותר המציגים חלקים מהקשרים בחוק הגז המשולב. הם:

• חוק בויל: לחץ של גז הוא ביחס הפוך לנפחו בטמפרטורה וכמות גז קבועים.
• חוק צ'ארלס: נפח וטמפרטורה של גז הם פרופורציונליים כאשר הלחץ מוחזק קבוע.
• חוק אבוגדרו: נפח הגז פרופורציונאלי לכמות הגז כאשר הלחץ והטמפרטורה קבועים.
• חוק אמונטון: הלחץ והטמפרטורה של גז הם פרופורציונאליים כל עוד כמות הגז ונפחו מוחזקים קבועים.