Oras, kuriuo kvėpuojame ir judame kasdien, helis mūsų gimtadienio balionuose ir metanas, naudojamas namų šildymui, yra įprasti dujų pavyzdžiai. Dujos yra viena iš trijų pagrindinių materijos būsenų, kartu su kietosiomis medžiagomis ir skysčiais.
Materijos būsenos
Medžiagos būsenos skiriasi priklausomai nuo to, kaip glaudžiai dalelės yra supakuotos - dėl to, kiek jos turi kinetinės energijos, o tai lemia aiškias savybes.
Kietoje būsenoje medžiaga yra labiausiai supakuota. Kietojoje medžiagoje esančias molekules laiko atominės jungtys ir traukos. Dėl to jie vibruoja vietoje, o ne laisvai teka aplink. Kietosios medžiagos turi apibrėžtą formą ir tūrį, ir jos nėra lengvai suspaustos; tai yra jie gana gerai išlaiko savo formą.
Skystoje būsenoje medžiaga yra silpniau supakuota nei kietoje medžiagoje dėl silpnesnių tarpmolekulinių ryšių. Esant gravitaciniam laukui, skystis įgis savo indo formą; nesant gravitacijos, jis formuojasi rutulio formos.
Dujinėje būsenoje materija silpnai sąveikauja su savimi. Dalelės gali judėti gana laisvai. Todėl dujos įgauna bet kokio konteinerio formą ir tūrį. Iškepę pyragą atidarykite orkaitę, o viduje buvusios dujos pasklis po namus, kad pyragas būtų užuodžiamas iš kiekvieno kambario.
Naujausia fizikams žinoma materijos būsena yra plazma - būklė, kai suskaidomi patys medžiagą sudarantys atomai. Plazma atsiranda tik esant ekstremalioms temperatūroms ir slėgiui, pavyzdžiui, esantiems saulės centre. Kadangi tokiomis sąlygomis elektronai atomi nuo atomų, plazma galiausiai yra laisvųjų elektronų, likusių teigiamai įkrautų jonų ir neutralių atomų, mišinys. Kalbant apie elgesį, plazma veikia kaip dujos, tačiau dėl susijusių krūvių ji taip pat turi elektromagnetines savybes.
Fazių pokyčiai
Materija gali keistis iš vienos būsenos į kitą, priklausomai nuo slėgio ir temperatūros sąlygų. Toks virsmas yra žinomas kaip a fazės pokytis. Pavyzdžiui, kietas vanduo ledo pavidalu, kaitinamas iki jo virimo temperatūros, ištirps skystame vandenyje, kuris savo ruožtu išgarins į vandens garus su dar didesne šiluma.
Garavimo priešingybė yra kondensatas. Kondensuodamiesi dujos tampa skysčiu.
Kietasis medžiaga gali pereiti tiesiai į dujinę materijos būseną sublimacija. Sublimacija įvyksta, kai kieta medžiaga yra tam tikrame slėgyje žemiau trigubo taško fazių diagramoje. Pavyzdžiui, sausas ledas (kietasis anglies dioksidas) sublimuojasi kaitinant vienoje atmosferoje, skirtingai nuo „įprasto“ ledo (vandens), kuris kaitinamas vienoje atmosferoje tiesiog ištirpsta skystyje.
Dujų apibrėžimas
Formalus fizinis dujų aprašymas yra medžiaga, neturinti nei apibrėžto tūrio (dar vadinamo fiksuoto tūrio), nei apibrėžtos formos. Vietoj to, dujos įgis savo indo formą, nes dujų molekulės gali laisvai judėti viena pro kitą.
Tai iliustruoja garsi hipotetinė problema, kurią sukūrė iškiliausias dalelių fizikas Enrico Fermi. Fermi paprašė savo mokinių apytiksliai nustatyti, kiek cezario mirštančio kvėpavimo molekulių šiandien žmogus gali tikėtis susidurti su kiekvienu savo įkvėpimu. Darant prielaidą, kad Romos imperatoriaus paskutinis atodūsis jau tolygiai pasiskirstė po visą pasaulį (ir dar nebuvo vandenynas arba augalai), skaičiavimai rodo, kad šiandienos gyvos būtybės kvėpuoja maždaug po vieną savo mirštančio kvėpavimo molekulę su kiekviena iš jų jų.
Nors skystis taip pat gali įgauti indo formą, skystis be pagalbos nepakeičia savo tūrio. Bet dujos visada pasklis, kad užpildytų savo indą, ir, priešingai, jas galima suspausti į mažesnį indą.
Fizinės dujų savybės
Svarbus matavimas apibūdinant dujas yra spaudimas. Dujų slėgis yra jėga, tenkanti ploto vienetui, kurią dujos daro ant savo indo. Didesnis slėgis lemia didesnę jėgą ir atvirkščiai.
Pavyzdžiui, dviračio padanga, pumpuojama iki aukšto slėgio, iš išorės jaučiasi mokoma ir sunki. Kita vertus, žemo slėgio padanga veikia mažiau išorinės jėgos, todėl ji jaučiasi disketiškesnė ir minkštesnė.
Kita pagrindinė dujų charakteristika yra jos temperatūra. Dujų temperatūra apibrėžiama kaip vidutinės kinetinės energijos, tenkančios vienai dujoje esančiai molekulei, matas. Kadangi visos molekulės vibruoja, jos visos turi tam tikrą kinetinės energijos kiekį.
Norint nustatyti, ar medžiagos būsena dujinė, reikalingas ir slėgis, ir temperatūra. Kai kurios medžiagos yra dujos tik esant aukštai temperatūrai, o kitos yra dujos esant žemai temperatūrai ar kambario temperatūrai. Tuo tarpu kai kurios medžiagos yra tik dujos esant aukštai temperatūrai ir žemas slėgis. Fazių diagrama rodo medžiagos būseną esant tam tikroms temperatūros ir slėgio kombinacijoms.
Dujų pavyzdžiai
Aplinkiniame pasaulyje gausu dujų. Anglies dioksidas, įprastos šiltnamio efektą sukeliančios dujos, išsiskiria deginant kurą, kad būtų galima valdyti daugelį dabartinės žmonijos veiklos. Kai garuoja skystas vanduo, jis tampa garais arba vandens garais - tai procesas, vykstantis viryklės viršūnėse ir balose lauke po saule.
Dujų mišinys, žinomas kaip oras - paprastai 78 proc. Azoto, 21 proc. Deguonies ir 1 proc kitos dujos - supa visas sausumos būtybes ir per kvėpavimo takus keičiasi jų kūnu sistema. Kvėpuodami daugelis gyvūnų ištraukia deguonį iš oro ir pašalina anglies dioksidą iš savo kūno, o daugelis augalų elgiasi priešingai - ima anglies dioksidą ir išskiria deguonį.
Idealios dujos
Siekdami geriau paaiškinti dujų elgseną, fizikai mėgsta apytiksliai įvertinti, kaip dujos elgtųsi, jei jos būtų pagamintos iš daugelio taškinės dalelės, judančios tiesiomis linijomis ir nepatiriančios tarpmolekulinių jėgų - kitaip tariant, nesąveikaujant su viena kitas.
Žinoma, jokios dujos nėra idealios, bet atsižvelgiant į tai, kaip dujos būtų veikti pagal tokį aprašymą, fizikai sugeba sujungti kelis paprastus dujinių savybių dėsnius į vieną: idealų dujų įstatymą.
Patarimai
Idealus dujų įstatymas yra PV = nRT, kur P yra spaudimas, V yra tūris, n yra dujų molių skaičius, R yra dujų konstanta ir T yra temperatūra.
Konkrečiai, idealus dujų įstatymas yra išvestas iš keturių paprastesnių dujų įstatymų, kurie parodo sąsajų dalis kombinuotame dujų įstatyme. Jie yra:
- Boyle'o dėsnis: dujų slėgis yra atvirkščiai proporcingas jų tūriui esant pastoviai temperatūrai ir dujų kiekiui.
- Karolio dėsnis: Laikant slėgį pastoviam, dujų tūris ir temperatūra yra proporcingi.
- Avogadro dėsnis: dujų tūris yra proporcingas dujų kiekiui, kai slėgis ir temperatūra yra pastovūs.
- Amontono dėsnis: dujų slėgis ir temperatūra yra proporcingi tol, kol dujų kiekis ir tūris yra pastovūs.
