気体（物理学）：定義、特性、例

私たちが毎日呼吸して移動する空気、誕生日用気球のヘリウム、家庭の暖房に使用されるメタンはすべて、ガスの一般的な例です。 気体は、固体や液体とともに、物質の3つの主要な状態の1つです。

物質の状態は、粒子がどれだけ密集しているか（粒子が持つ運動エネルギーの量の結果）によって異なり、その結果、明確な特性が得られます。

その固体状態では、物質は最も密に詰まっています。 固体内の分子は、原子結合と引力によって結合されています。 その結果、それらは自由に動き回るのではなく、その場で振動します。 固体には明確な形状と体積があり、簡単に圧縮することはできません。 つまり、それらはかなりよく形を保ちます。

液体状態では、分子間結合が弱いため、物質は固体よりも密集していません。 重力場が存在する場合、液体はその容器の形を取ります。 重力がない場合、それは球形に形成されます。

その気体状態では、物質はそれ自体との弱い相互作用を経験します。 パーティクルは非常に自由に動き回ることができます。 その結果、ガスは、どの容器に入っていても、その形状と体積を引き継ぎます。 ケーキを焼いたらオーブンを開けると、中にあったガスが家中に広がり、どの部屋からもケーキの匂いがします。

物理学者に知られている最新の物質の状態はプラズマです。プラズマは、物質自体を構成する原子が分解している状態です。 プラズマは、太陽の中心に見られるような極端な温度と圧力でのみ発生します。 これらの条件では電子が原子から剥ぎ取られるため、プラズマは最終的に自由電子、残りの正に帯電したイオン、および中性原子の混合物になります。 プラズマは、動作に関しては気体のように機能しますが、電荷が含まれているため、電磁特性も備えています。

物質は、圧力と温度の条件に応じて、ある状態から別の状態に変化する可能性があります。 このような変換は、 相転移. たとえば、氷の形をした固体の水は、沸点まで加熱すると溶けて液体の水になり、さらに熱を加えると蒸発して水蒸気になります。

蒸発の反対は凝縮です。 気体が凝縮すると液体になります。

固体は、次のことを行うことにより、物質の気体状態に直接遷移することができます。 昇華. 昇華は、固体が状態図の三重点よりも低い特定の圧力にあるときに発生します。 たとえば、ドライアイス（固体二酸化炭素）は、1つの雰囲気で加熱されると単に液体に溶ける「通常の」氷（水）とは異なり、1つの雰囲気で加熱されると昇華します。

ガスの正式な物理的記述は、明確な体積（固定体積とも呼ばれます）または明確な形状を持たない物質です。 代わりに、ガス分子は互いに自由に移動できるため、ガスはそのコンテナの形を取ります。

著名な素粒子物理学者エンリコフェルミによって作成された有名な仮想問題は、これを説明するのに役立ちます。 フェルミは生徒たちに、今日の人間が自分の吸入のそれぞれに遭遇すると予想できるシーザーの死にかけている呼吸の分子の数を概算するように求めました。 ローマ皇帝の最後の息が今までに世界中に均等に分布していると仮定します（そして、 海や植物）、計算によると、今日の生物は、それぞれの死にかけている息の約1分子を吸い込んでいます。 彼らのもの。

液体はその容器の形をとることもできますが、液体は助けなしにその体積を変えることはありません。 しかし、ガスは常にその容器を満たすために広がり、逆に、それはより小さな容器に圧縮することができます。

ガスを説明するための重要な測定は 圧力. ガスの圧力は、ガスがその容器に及ぼす単位面積あたりの力です。 より多くの圧力はより多くの力につながり、逆もまた同様です。

たとえば、高圧にポンプでくみ上げられた自転車のタイヤは、外から教えられて硬く感じます。 一方、低圧タイヤは外向きの力が少なく、その結果、フワフワして柔らかく感じます。

ガスのもう一つの重要な特徴は 温度. ガスの温度は、ガス中の分子あたりの平均運動エネルギーの尺度として定義されます。 すべての分子が振動するため、それらはすべてある程度の運動エネルギーを持っています。

物質の状態が気体であるかどうかを判断するには、圧力と温度の両方が必要です。 一部の材料は高温のみのガスですが、他の材料は低温または室温のガスです。 一方、一部の材料は高温でのみガスです そして 低圧。 状態図は、温度と圧力のさまざまな組み合わせでの特定の物質の物質の状態を示しています。

私たちの周りの世界にはガスがたくさんあります。 一般的な温室効果ガスである二酸化炭素は、人類の現在の活動の多くに電力を供給するために燃料を燃焼させるときに放出されます。 液体の水が気化すると、蒸気または水蒸気になります。これは、ストーブの上や太陽の下の外の水たまりで発生するプロセスです。

空気と呼ばれるガスの混合物–通常は78％の窒素、21％の酸素、1％ 他のガス–すべての陸生生物を取り囲み、呼吸器を介して彼らの体と交換します システム。 多くの動物は呼吸するときに空気から酸素を抽出して体から二酸化炭素を排出しますが、多くの植物はその逆で二酸化炭素を取り込み、酸素を放出します。

ガスの振る舞いをよりよく説明するのを助けるために、物理学者は、ガスが多くのものでできている場合にガスがどのように振る舞うかを概算するのが好きです 点粒子は直線で移動し、分子間力を受けません。つまり、粒子と相互作用することはありません。 別の。

もちろん、実際には理想的なガスはありませんが、どのようにガスを考慮するかによって だろう そのような記述の下で行動することで、物理学者は気体の性質に関する複数の単純な法則を1つに組み合わせることができます。それは理想気体の法則です。

• 理想気体の法則は PV = nRT、 どこ P 圧力です、 V ボリュームです、 n はガスのモル数であり、 R はガス定数であり、 T は温度です。

具体的には、理想気体の法則は、結合気体の法則の関係の一部を示す4つの単純な気体の法則から導き出されます。 彼らです：

• ボイルの法則：ガスの圧力は、一定の温度とガスの量での体積に反比例します。
• シャルルの法則：圧力が一定に保たれている場合、ガスの体積と温度は比例します。
• アボガドロの法則：圧力と温度が一定の場合、ガスの体積はガスの量に比例します。
• アモントンの法則：ガスの量と体積が一定に保たれている限り、ガスの圧力と温度は比例します。