Gasser (fysikk): definisjon, egenskaper og eksempler

Luften vi puster og beveger oss gjennom daglig, heliumet i bursdagsballongene og metanet som brukes til oppvarming av hjemmet er alle vanlige eksempler på gasser. Gass er en av de tre viktigste tilstandene av materie, sammen med faste stoffer og væsker.

Tilstandene av materien er forskjellige etter hvor tett pakket partiklene er - en konsekvens av hvor mye kinetisk energi de har - som resulterer i tydelige egenskaper.

I sin faste tilstand er materie den tettest pakket. Molekylene i et fast stoff holdes sammen av atombindinger og attraksjoner. Som et resultat vibrerer de på plass i stedet for å flyte fritt rundt. Tørrstoffer har bestemte former og volumer, og de komprimeres ikke lett; det vil si at de holder formen ganske bra.

I flytende tilstand er materie mindre pakket enn i et fast stoff, takket være svakere intermolekylære bindinger. Når det er i nærvær av et gravitasjonsfelt, vil en væske ha form av beholderen; i fravær av tyngdekraft, danner den seg til sfæriske former.

I gassform opplever materie svake interaksjoner med seg selv. Partikler kan bevege seg ganske fritt. Som et resultat får gasser form og volum av hvilken container de er i. Åpne ovnen etter å ha bakt en kake, og gassen som var inne vil spre seg i hele huset slik at kaken kan lukte fra alle rom.

Den nyeste tilstanden av materie som fysikere har kjent er plasma, en tilstand der atomer som utgjør materie selv brytes ned. Plasma forekommer bare ved ekstreme temperaturer og trykk, slik som de som finnes midt i solen. Fordi elektroner blir fjernet fra atomer under disse forholdene, ender det opp med at en plasma er en blanding av frie elektroner, restene av positivt ladede ioner og nøytrale atomer. Når det gjelder oppførsel, virker et plasma som en gass, men på grunn av ladningene som er involvert, har det også elektromagnetiske egenskaper.

Saken kan endres fra en tilstand til en annen, avhengig av forholdene for trykk og temperatur. En slik transformasjon er kjent som en faseendring. For eksempel vil fast vann i form av is når det varmes opp til kokepunktet smelte til flytende vann, som igjen vil fordampe til vanndamp med enda mer tilsatt varme.

Det motsatte av fordampning er kondens. Når en gass kondenserer, blir den en væske.

Et fast stoff kan overgå direkte til en gassform av materie ved å gjennomgå sublimering. Sublimering skjer når et fast stoff har et bestemt trykk under det tredoble punktet i et fasediagram. For eksempel sublimerer tørris (fast karbondioksid) når det blir oppvarmet til en atmosfære, i motsetning til "vanlig" is (vann) som ganske enkelt smelter til væske når det varmes opp til en atmosfære.

Den formelle fysikkbeskrivelsen av en gass er et stoff som ikke har et bestemt volum (også kalt et fast volum) eller en bestemt form. I stedet vil en gass ha form av beholderen fordi gassmolekyler kan bevege seg fritt forbi hverandre.

Et kjent hypotetisk problem skapt av den fremtredende partikkelfysikeren Enrico Fermi er med på å illustrere dette. Fermi ba studentene sine om å tilnærme seg hvor mange molekyler av Cæsars døende pust et menneske i dag kan forvente å møte hver av sine egne inhalasjoner. Forutsatt at den romerske keiserens siste åndedrag har fordelt seg jevnt over hele verden nå (og har ikke blitt absorbert av hav eller planter), viser beregninger at dagens levende vesener puster inn omtrent ett molekyl av hans døende pust med hver av dem deres.

Selv om en væske også kan ta formen på beholderen, endrer ikke en væske volumet uten hjelp. Men en gass vil alltid spre seg for å fylle beholderen, og omvendt kan den komprimeres til en mindre beholder.

En viktig måling for å beskrive en gass er press. Trykket til en gass er kraften per arealeenhet som gassen utøver på beholderen. Mer press fører til mer kraft, og omvendt.

For eksempel føles et sykkeldekk pumpet opp til høyt trykk lært og vanskelig utenfra. Et lavtrykksdekk bruker derimot mindre ytre kraft, og som et resultat føles det floppier og mykere.

En annen viktig egenskap ved en gass er dens temperatur. Temperaturen på en gass er definert som et mål på gjennomsnittlig kinetisk energi per molekyl i gassen. Fordi alle molekyler vibrerer, har de alle en viss mengde kinetisk energi.

Både trykk og temperatur er nødvendig for å avgjøre om stoffets tilstand er gassformig. Noen materialer er gasser bare ved høye temperaturer, mens andre er gasser ved lave temperaturer eller romtemperatur. I mellomtiden er noen materialer bare gasser ved høye temperaturer og lavt trykk. Et fasediagram viser stoffets tilstand for et gitt stoff ved forskjellige kombinasjoner av temperatur og trykk.

Gasser florerer i verden rundt oss. Karbondioksid, en vanlig klimagass, avgis når du brenner drivstoff for å drive mange av menneskehetens nåværende aktiviteter. Når flytende vann fordamper, blir det damp eller vanndamp - en prosess som skjer på komfyrtopper og i pytter ute under solen.

Blandingen av gasser kjent som luft - som vanligvis er 78 prosent nitrogen, 21 prosent oksygen og 1 prosent andre gasser - omgir alle jordiske skapninger og bytter med kroppene sine gjennom luftveiene system. Under pusten trekker mange dyr ut oksygen fra luften og fjerner karbondioksid fra kroppen, mens mange planter gjør det motsatte, tar inn karbondioksid og gir fra seg oksygen.

For å bedre forklare gassens oppførsel, liker fysikere å tilnærme seg hvordan gassene ville oppføre seg hvis de var laget av mange punktpartikler som beveger seg i rette linjer og ikke opplever intermolekylære krefter - med andre ord uten å samhandle med en en annen.

Selvfølgelig er ingen gass faktisk ideell, men ved å vurdere hvordan en gass ville handle under en slik beskrivelse, er fysikere i stand til å kombinere flere enkle lover om gassegenskaper til en: den ideelle gassloven.

• Den ideelle gassloven er PV = nRT, hvor P er press, V er volum, n er antall mol gass, R er gassen konstant og T er temperatur.

Spesielt er den ideelle gassloven avledet fra fire enklere gasslover som viser deler av forholdene i den kombinerte gassloven. De er:

• Boyles lov: Et gasstrykk er omvendt proporsjonalt med volumet ved en konstant temperatur og mengde gass.
• Charles 'lov: Et gassvolum og temperatur er proporsjonal når trykket holdes konstant.
• Avogadros lov: Volumet til en gass er proporsjonal med mengden gass når trykk og temperatur er konstant.
• Amontons lov: Trykket og temperaturen til en gass er proporsjonal så lenge mengden og volumet av gassen holdes konstant.