გაზები (ფიზიკა): განმარტება, თვისებები და მაგალითები

ჰაერი, რომელსაც ყოველდღიურად ვსუნთქავთ და გადავდივართ, ჰელიუმი ჩვენს დაბადების დღეზე შექმნილ ბუშტებში და მეთანი, რომელიც სახლის გათბობისთვის გამოიყენება, გაზების საერთო მაგალითია. გაზი არის მყარი და სითხეებთან ერთად მატერიის სამი ძირითადი მდგომარეობადან ერთი.

მატერიის მდგომარეობები განსხვავდება იმის მიხედვით, თუ რამდენად მჭიდროდ არის შეფუთული ნაწილაკები - იმის შედეგი, თუ რამდენად აქვთ მათ კინეტიკური ენერგია - რაც იწვევს მკაფიო მახასიათებლებს.

მყარ მდგომარეობაში მატერია ყველაზე მჭიდროდ არის შეფუთული. მყარი ნივთიერებების მოლეკულები ერთმანეთთან იკავებს ატომურ კავშირებს და ატრაქციებს. შედეგად, ისინი ვიბრირებენ ადგილზე, ვიდრე თავისუფლად შემოდიან გარშემო. მყარს აქვს გარკვეული ფორმები და მოცულობები და ისინი ადვილად არ იკუმშება; ეს არის ის, რომ ისინი საკმაოდ კარგად ინარჩუნებენ ფორმას.

თხევად მდგომარეობაში, ნივთიერება ნაკლებად მჭიდროდ არის შეფუთული, ვიდრე მყარი, უფრო სუსტი მოლეკულური კავშირების წყალობით. გრავიტაციული ველის არსებობისას, სითხე მიიღებს მის ჭურჭლის ფორმას; სიმძიმის არარსებობის შემთხვევაში, იგი იქმნება სფერულ ფორმებად.

გაზურ მდგომარეობაში მატერია განიცდის სუსტ ურთიერთქმედებას საკუთარ თავთან. ნაწილაკებს გადაადგილება საკმაოდ თავისუფლად შეუძლიათ. შედეგად, გაზები იღებენ კონტეინერის ფორმასა და მოცულობას. გახსენით ღუმელი ტორტის გამოცხობის შემდეგ და გაზი, რომელიც შიგნით იყო, მთელ სახლში გავრცელდება ისე, რომ ნამცხვრის სუნი იგრძნობა ყველა ოთახიდან.

ფიზიკოსთათვის ცნობილი უახლესი მატერიის მდგომარეობაა პლაზმა, მდგომარეობა, რომლის დროსაც ინგრევა მატერიის თავად ატომები. პლაზმა მხოლოდ ექსტრემალურ ტემპერატურასა და ზეწოლაზე ხდება, მაგალითად მზის ცენტრში. იმის გამო, რომ ამ პირობებში ელექტრონებს აცლიან ატომებს, პლაზმი მთავრდება თავისუფალი ელექტრონების, დანარჩენი დადებითად დამუხტული იონებისა და ნეიტრალური ატომების ნარევით. ქცევის თვალსაზრისით, პლაზმური მოქმედებს როგორც გაზი, მაგრამ მასში ჩართული მუხტების გამო, მას ელექტრომაგნიტური თვისებებიც აქვს.

მატერია შეიძლება შეიცვალოს ერთი მდგომარეობიდან მეორეში, რაც დამოკიდებულია წნევისა და ტემპერატურის პირობებზე. ასეთი გარდაქმნა ცნობილია, როგორც ა ფაზის შეცვლა. მაგალითად, მყარი წყალი ყინულის სახით, როდესაც ადუღდება დუღილის წერტილამდე, დნება თხევად წყალში, რაც თავის მხრივ აორთქლდება წყლის ორთქლში და კიდევ უფრო მეტი სითბო დაემატება.

აორთქლების საპირისპიროა კონდენსაცია. როდესაც გაზი კონდენსირდება, ის ხდება თხევადი.

მყარს შეუძლია გადის პირდაპირ მატერიის აირულ მდგომარეობაში გადასვლის გზით სუბლიმაცია. სუბლიმაცია ხდება მაშინ, როდესაც მყარი ფაზის დიაგრამაზე არის განსაკუთრებული წნევა მისი სამმაგი წერტილის ქვემოთ. მაგალითად, მშრალი ყინული (მყარი ნახშირორჟანგი) ერთ ატმოსფეროში თბება, აძლიერებს, განსხვავებით "ჩვეულებრივი" ყინულისგან (წყალი), რომელიც ერთ ატმოსფეროში გაცხელებისას უბრალოდ თხევადი ხდება.

გაზის ოფიციალური ფიზიკის აღწერა არის ნივთიერება, რომელსაც არ აქვს განსაზღვრული მოცულობა (მას ასევე უწოდებენ ფიქსირებულ მოცულობას) ან განსაზღვრული ფორმა. ამის ნაცვლად, გაზი მიიღებს კონტეინერის ფორმას, რადგან გაზის მოლეკულას თავისუფლად შეუძლია გადაადგილდეს ერთმანეთის გვერდით.

ამის ილუსტრაციებში ხელს უწყობს ცნობილი ჰიპოთეტური პრობლემა, რომელიც შექმნა გამოჩენილი ნაწილაკების ფიზიკოსმა ენრიკო ფერმიმ. ფერმი თავის სტუდენტებს სთხოვა დაედგინათ, თუ რამდენი მოლეკულა კეისრის მომაკვდავი სუნთქვისგან ელოდება დღეს ადამიანს თითოეულ საკუთარ ჩასუნთქვასთან ერთად. ვთქვათ, რომ რომის იმპერატორის ბოლო სუნთქვა თანაბრად გადანაწილდა დედამიწის მასშტაბით (და არ შეცვლილა ოკეანე ან მცენარეები), გამოთვლები აჩვენებს, რომ დღევანდელი ცოცხალი არსებები სუნთქავენ მისი მომაკვდავი სუნთქვის დაახლოებით ერთ მოლეკულაში მათი.

მიუხედავად იმისა, რომ თხევადი შეიძლება ასევე მიიღოს მისი ჭურჭლის ფორმა, თხევადი არ ცვლის მოცულობას დახმარების გარეშე. მაგრამ გაზი ყოველთვის ვრცელდება მისი ჭურჭლის შესავსებად და, პირიქით, მისი შეკუმშვა შეიძლება მოხდეს უფრო პატარა ჭურჭელში.

გაზის აღსაწერად მნიშვნელოვანი საზომია ზეწოლა. გაზზე ზეწოლა არის ძალა ერთეულ ფართობზე, რომელსაც გაზს ახდენს თავის ჭურჭელზე. მეტი წნევა იწვევს მეტ ძალას და პირიქით.

მაგალითად, მაღალი წნევის ტუმბოს ველოსიპედის საბურავი გარედან ასწავლიდა და ძნელად გრძნობს თავს. დაბალწნევიანი საბურავი, გარედან ნაკლებ ძალას ახდენს და შედეგად, იგი თავს იჩენს მოქნილი და რბილი.

გაზის კიდევ ერთი მთავარი მახასიათებელია მისი ტემპერატურა. გაზის ტემპერატურა განისაზღვრება, როგორც გაზში საშუალო კინეტიკური ენერგია გაზზე თითო მოლეკულაზე. ყველა მოლეკულის ვიბრაციის გამო, მათ აქვთ გარკვეული რაოდენობის კინეტიკური ენერგია.

საჭიროა წნევაც და ტემპერატურაც იმის დასადგენად, არის თუ არა მატერიის მდგომარეობა გაზური. ზოგიერთი მასალა არის გაზები მხოლოდ მაღალ ტემპერატურაზე, ზოგი კი არის გაზები დაბალ ტემპერატურაზე ან ოთახის ტემპერატურაზე. იმავდროულად, ზოგიერთი მასალა მხოლოდ გაზებია მაღალ ტემპერატურაზე და დაბალი წნევა. ფაზური დიაგრამა გვიჩვენებს მოცემული ნივთიერების მატერიის მდგომარეობას ტემპერატურისა და წნევის სხვადასხვა კომბინაციაში.

გაზები მრავლადაა ჩვენს გარშემო სამყაროში. ნახშირორჟანგი, საერთო სათბური გაზი, გამოიყოფა საწვავის დაწვისას კაცობრიობის მრავალი მიმდინარე საქმიანობის უზრუნველსაყოფად. როდესაც თხევადი წყალი ორთქლდება, ის ხდება ორთქლი ან წყლის ორთქლი - ეს პროცესი ხდება ღუმელების მწვერვალებზე და მზის ქვეშ მდებარე გუბეებზე.

აირების ნარევი, რომლებიც ჰაერის სახელითაა ცნობილი - ეს არის 78 პროცენტი აზოტი, 21 პროცენტი ჟანგბადი და 1 პროცენტი სხვა გაზები - გარს ერტყმის ყველა ხმელეთის არსებას და მათ სხეულებთან ერთად იცვლება რესპირატორული გზით სისტემა სუნთქვის დროს, ბევრი ცხოველი იღებს ჟანგბადს ჰაერიდან და გამოაქვს ნახშირორჟანგი სხეულიდან, ბევრი მცენარე კი პირიქით აკეთებს ნახშირორჟანგს და ჟანგბადს გამოყოფს.

გაზების ქცევის უკეთ ასახსნელად, ფიზიკოსებს მოსწონთ იმის დაანგარიშება, თუ როგორ მოიქცევიან გაზები, თუ ისინი მრავალი წერტილოვანი ნაწილაკები მოძრაობენ სწორ ხაზებად და არ განიცდიან ინტერმოლეკულურ ძალებს - სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ერთთან ურთიერთქმედების გარეშე სხვა

რა თქმა უნდა, არანაირი გაზი იდეალური არ არის, მაგრამ იმის გათვალისწინებით, თუ როგორ არის გაზი ნეტავ იმოქმედებენ ასეთი აღწერით, ფიზიკოსებს შეუძლიათ აერთიანონ მრავალი მარტივი კანონი აირისებრი თვისებების შესახებ ერთში: იდეალური გაზის კანონი.

• გაზის იდეალური კანონია PV = nRTსად პ არის ზეწოლა, ვ არის მოცულობა, ნ არის გაზის მოლების რაოდენობა, რ არის გაზის მუდმივი და თ არის ტემპერატურა.

კერძოდ, იდეალური გაზის კანონი გამომდინარეობს გაზის ოთხი მარტივი კანონიდან, რომლებიც აჩვენებს კომბინირებული გაზის კანონში არსებულ ურთიერთობებს. Ისინი არიან:

• ბოილის კანონი: გაზზე ზეწოლა უკუპროპორციულია მისი მოცულობის მუდმივ ტემპერატურაზე და გაზზე.
• ჩარლზის კანონი: გაზების მოცულობა და ტემპერატურა პროპორციულია, როდესაც წნევა მუდმივად დგება.
• ავოგადროს კანონი: გაზის მოცულობა პროპორციულია გაზის რაოდენობისა, როდესაც წნევა და ტემპერატურა მუდმივია.
• ამონტონის კანონი: გაზზე წნევა და ტემპერატურა პროპორციულია, სანამ აირის რაოდენობა და მოცულობა მუდმივად შენარჩუნდება.