Gāzes (fizika): definīcija, īpašības un piemēri

Gaiss, ko ikdienā elpojam un pārvietojamies, hēlijs mūsu dzimšanas dienas balonos un mājas apkurei izmantotais metāns ir visi izplatītie gāzu piemēri. Gāze ir viens no trim galvenajiem matērijas stāvokļiem kopā ar cietām vielām un šķidrumiem.

Vielas stāvokļi atšķiras atkarībā no tā, cik daļiņas ir cieši iesaiņotas - sekas tam, cik daudz tām ir kinētiskā enerģija -, kā rezultātā rodas atšķirīgas īpašības.

Cietā stāvoklī matērija ir visciešāk iesaiņota. Cietā stāvoklī esošās molekulas satur kopā atomu saites un pievilcības. Rezultātā tie vibrē vietā, nevis brīvi plūst apkārt. Cietām vielām ir noteikta forma un tilpums, un tās nav viegli saspiest; tas ir, viņi diezgan labi saglabā savu formu.

Pateicoties vājākām starpmolekulārajām saitēm, viela šķidrā stāvoklī ir mazāk pakļauta nekā cietā vielā. Kad gravitācijas lauka klātbūtnē šķidrums iegūs tā trauka formu; ja nav gravitācijas, tas veido sfēriskas formas.

Gāzveida stāvoklī viela mijiedarbojas ar sevi vāji. Daļiņas var pārvietoties diezgan brīvi. Rezultātā gāzes iegūst jebkura tvertnes formu un tilpumu, kurā tās atrodas. Pēc kūkas cepšanas atveriet cepeškrāsni, un iekšpusē esošā gāze izplatīsies pa visu māju, lai kūka varētu saost no katras istabas.

Jaunākais matemātikas stāvoklis, ko zina fiziķi, ir plazma - stāvoklis, kurā atomi, kas paši veido vielu, sadalās. Plazma rodas tikai ekstremālā temperatūrā un spiedienā, piemēram, tādos, kādi atrodas saules centrā. Tā kā šajos apstākļos elektroni tiek atdalīti no atomiem, plazma galu galā ir brīvo elektronu, atlikušo pozitīvi uzlādēto jonu un neitrālo atomu maisījums. Uzturēšanās ziņā plazma darbojas kā gāze, bet iesaistīto lādiņu dēļ tai ir arī elektromagnētiskās īpašības.

Matērija var mainīties no viena stāvokļa uz citu atkarībā no spiediena un temperatūras apstākļiem. Šāda transformācija ir pazīstama kā a fāzes maiņa. Piemēram, cietais ūdens ledus formā, kad tas tiek uzkarsēts līdz vārīšanās temperatūrai, izkusīs šķidrā ūdenī, kas savukārt iztvaikos ūdens tvaikos ar vēl lielāku siltumu.

Iztvaikošanas pretstats ir kondensācija. Kad gāze kondensējas, tā kļūst par šķidrumu.

Cieta viela var pāriet tieši gāzveida vielas stāvoklī, to izejot sublimācija. Sublimācija notiek, ja cietā viela fāzes diagrammā atrodas noteiktā spiedienā zem tā trīskāršā punkta. Piemēram, sausais ledus (cietais oglekļa dioksīds), kad to silda vienā atmosfērā, sublimējas, atšķirībā no "parastā" ledus (ūdens), kas, sildot vienā atmosfērā, vienkārši kūst šķidrumā.

Gāzes formālais fizikas apraksts ir viela, kurai nav noteikta tilpuma (saukta arī par fiksētu tilpumu) vai noteiktas formas. Tā vietā gāze iegūs tvertnes formu, jo gāzes molekulas var brīvi pārvietoties viena otrai garām.

To ilustrē slavenā hipotētiskā problēma, kuru radījis izcilais daļiņu fiziķis Enriko Fermi. Fermi lūdza savus studentus aptuveni noteikt, cik daudz Cēzara nāvējošās elpas molekulu mūsdienās cilvēks var sagaidīt sastapties ar katru savu ieelpoto. Pieņemot, ka Romas imperatora pēdējā elpa līdz šim ir izplatījusies vienmērīgi visā pasaulē (un tā nav atkārtoti absorbēta okeāns vai augi), aprēķini rāda, ka mūsdienu dzīvās būtnes ar katru no tām elpo apmēram vienu savas mirstošās elpas molekulu viņu.

Lai gan šķidrums var iegūt arī trauka formu, šķidrums nemaina tā tilpumu bez palīdzības. Bet gāze vienmēr izplatīsies, lai piepildītu tvertni, un, gluži pretēji, to var saspiest mazākā traukā.

Svarīgs mērījums, lai aprakstītu gāzi, ir spiediens. Gāzes spiediens ir spēks uz laukuma vienību, ko gāze iedarbojas uz tās tvertni. Lielāks spiediens rada lielāku spēku, un otrādi.

Piemēram, velosipēda riepa, kas pārsūknēta līdz augstam spiedienam, no ārpuses jūtas mācīta un smaga. Savukārt zema spiediena riepa izdara mazāk spēka uz āru, kā rezultātā tā jūtas vieglāk un mīkstāk.

Vēl viena galvenā gāzes raksturīgā iezīme ir tā temperatūra. Gāzes temperatūra ir definēta kā vidējās kinētiskās enerģijas rādītājs uz vienu molekulu gāzē. Tā kā visas molekulas vibrē, tām visām ir zināms daudzums kinētiskās enerģijas.

Lai noteiktu, vai vielas stāvoklis ir gāzveida, ir nepieciešams gan spiediens, gan temperatūra. Daži materiāli ir gāzes tikai augstā temperatūrā, bet citi ir gāzes zemā temperatūrā vai istabas temperatūrā. Tikmēr daži materiāli ir tikai gāzes augstā temperatūrā un zems spiediens. Fāžu diagramma parāda vielas stāvokli konkrētai vielai dažādās temperatūras un spiediena kombinācijās.

Apkārtējā pasaulē ir daudz gāzu. Oglekļa dioksīds, parasta siltumnīcefekta gāze, tiek izdalīta, sadedzinot degvielu, lai darbinātu daudzus cilvēces pašreizējos pasākumus. Kad šķidrais ūdens iztvaiko, tas kļūst par tvaiku vai ūdens tvaiku - procesu, kas notiek uz plīts virsmām un peļķēs ārpus saules.

Gāzu maisījums, kas pazīstams kā gaiss - kas parasti ir 78 procenti slāpekļa, 21 procents skābekļa un 1 procents citas gāzes - ieskauj visas sauszemes radības un apmainās ar viņu ķermeņiem caur elpošanas ceļu sistēmā. Elpojot, daudzi dzīvnieki izvelk skābekli no gaisa un izvada oglekļa dioksīdu no ķermeņa, savukārt daudzi augi rīkojas pretēji, uzņemot oglekļa dioksīdu un izdalot skābekli.

Lai palīdzētu labāk izskaidrot gāzu uzvedību, fiziķi vēlas aptuveni noteikt, kā gāzes izturētos, ja tās veidotu no daudziem punktu daļiņas, kas pārvietojas taisnās līnijās un nepiedzīvo starpmolekulāros spēkus - citiem vārdiem sakot, bez mijiedarbības ar vienu cits.

Protams, neviena gāze faktiski nav ideāla, bet, ņemot vērā to, kā gāze būtu rīkojieties saskaņā ar šādu aprakstu, fiziķi var apvienot vairākus vienkāršus likumus par gāzveida īpašībām vienā: ideālā gāzes likumā.

• Ideāls gāzes likums ir PV = nRT, kur P ir spiediens, V ir tilpums, n ir gāzes molu skaits, R ir gāzes konstante un T ir temperatūra.

Precīzāk, ideālais gāzes likums ir atvasināts no četriem vienkāršākiem gāzes likumiem, kas parāda sakarības kombinētajā gāzes likumā. Viņi ir:

• Boila likums: Gāzes spiediens ir apgriezti proporcionāls tā tilpumam nemainīgā temperatūrā un gāzes daudzumā.
• Čārlza likums: gāzes spiediens un temperatūra ir proporcionāli, ja spiediens tiek turēts nemainīgs.
• Avogadro likums: Gāzes tilpums ir proporcionāls gāzes daudzumam, ja spiediens un temperatūra ir nemainīgi.
• Amontonas likums: Gāzes spiediens un temperatūra ir proporcionāli, kamēr gāzes daudzums un tilpums tiek turēti nemainīgi.