Gazy (fizyka): definicja, właściwości i przykłady

Powietrze, którym codziennie oddychamy i przemieszczamy się, hel w naszych balonach urodzinowych i metan używany do ogrzewania domu to typowe przykłady gazów. Gaz jest jednym z trzech głównych stanów skupienia, obok ciał stałych i cieczy.

Stany materii różnią się w zależności od tego, jak gęsto upakowane są cząstki – w konsekwencji ich energii kinetycznej – co skutkuje różnymi charakterystykami.

W stanie stałym materia jest najgęściej upakowana. Cząsteczki w ciele stałym są utrzymywane razem przez wiązania atomowe i przyciąganie. W rezultacie wibrują w miejscu, zamiast swobodnie płynąć. Bryły mają określone kształty i objętości i nie dają się łatwo skompresować; to znaczy, że dość dobrze zachowują swój kształt.

W stanie ciekłym materia jest mniej gęsto upakowana niż w ciele stałym, dzięki słabszym wiązaniom międzycząsteczkowym. W obecności pola grawitacyjnego ciecz przyjmie kształt pojemnika; przy braku grawitacji formuje się w kuliste kształty.

W stanie gazowym materia podlega ze sobą słabym oddziaływaniom. Cząsteczki mogą się swobodnie poruszać. W rezultacie gazy przybierają kształt i objętość dowolnego pojemnika, w którym się znajdują. Po upieczeniu ciasta otwórz piekarnik, a gaz, który był w środku, rozprzestrzeni się po całym domu tak, że ciasto będzie czuć z każdego pomieszczenia.

Najnowszym stanem materii znanym fizykom jest plazma, stan, w którym rozpadają się atomy tworzące materię. Plazma występuje tylko w ekstremalnych temperaturach i ciśnieniach, takich jak te występujące w centrum Słońca. Ponieważ w takich warunkach elektrony są usuwane z atomów, plazma jest mieszaniną wolnych elektronów, pozostałych dodatnio naładowanych jonów i neutralnych atomów. Pod względem zachowania plazma zachowuje się jak gaz, ale ze względu na związane z nią ładunki ma również właściwości elektromagnetyczne.

Materia może zmieniać się z jednego stanu w drugi w zależności od warunków ciśnienia i temperatury. Taka transformacja jest znana jako zmiana fazy. Na przykład woda w stanie stałym w postaci lodu po podgrzaniu do temperatury wrzenia stopi się w wodę ciekłą, która z kolei wyparuje w parę wodną z jeszcze większym dodanym ciepłem.

Przeciwieństwem parowania jest kondensacja. Kiedy gaz się skrapla, staje się cieczą.

Ciało stałe może przejść bezpośrednio w gazowy stan materii, poddając się sublimacja. Sublimacja ma miejsce, gdy ciało stałe znajduje się pod określonym ciśnieniem poniżej punktu potrójnego na diagramie fazowym. Na przykład suchy lód (stały dwutlenek węgla) sublimuje po podgrzaniu w jednej atmosferze, w przeciwieństwie do „zwykłego” lodu (wody), który po prostu topi się w ciecz po podgrzaniu w jednej atmosferze.

Formalny opis fizyczny gazu to substancja, która nie ma określonej objętości (zwanej również stałą objętością) ani określonego kształtu. Zamiast tego gaz przyjmie kształt swojego pojemnika, ponieważ cząsteczki gazu mogą swobodnie przemieszczać się obok siebie.

Słynny hipotetyczny problem stworzony przez wybitnego fizyka cząstek elementarnych Enrico Fermi pomaga to zilustrować. Fermi poprosił swoich uczniów, aby przybliżyli, ile molekuł oddechu umierającego Cezara może się spotkać z każdym z własnych wdechów. Zakładając, że ostatnie tchnienie rzymskiego cesarza rozłożyło się już równomiernie na całym świecie (i nie zostało ponownie wchłonięte przez oceanu lub roślin), obliczenia pokazują, że dzisiejsze żywe istoty wdychają jedną cząsteczkę swojego umierającego oddechu każdą z nich. ich.

Chociaż ciecz może również przybrać kształt pojemnika, ciecz nie zmienia swojej objętości bez pomocy. Ale gaz zawsze rozprzestrzeni się, aby wypełnić swój pojemnik i odwrotnie, można go skompresować do mniejszego pojemnika.

Ważnym pomiarem opisującym gaz jest nacisk. Ciśnienie gazu to siła na jednostkę powierzchni, jaką gaz wywiera na swój pojemnik. Większa presja prowadzi do większej siły i na odwrót.

Na przykład opona rowerowa napompowana pod wysokim ciśnieniem z zewnątrz wydaje się wyuczona i twarda. Z drugiej strony, opona niskociśnieniowa wywiera mniejszą siłę zewnętrzną, dzięki czemu jest bardziej miękka i miękka.

Inną kluczową cechą gazu jest jego temperatura. Temperatura gazu jest definiowana jako miara średniej energii kinetycznej na cząsteczkę w gazie. Ponieważ wszystkie cząsteczki wibrują, wszystkie mają pewną ilość energii kinetycznej.

Do określenia, czy stan materii jest gazowy, potrzebne są zarówno ciśnienie, jak i temperatura. Niektóre materiały są gazami tylko w wysokich temperaturach, podczas gdy inne są gazami w niskich temperaturach lub temperaturze pokojowej. Tymczasem niektóre materiały to tylko gazy w wysokich temperaturach i niskie ciśnienia. Diagram fazowy pokazuje stan skupienia danej substancji przy różnych kombinacjach temperatury i ciśnienia.

Otaczający nas świat obfituje w gazy. Dwutlenek węgla, powszechny gaz cieplarniany, wydziela się podczas spalania paliwa, aby zasilać wiele bieżących działań ludzkości. Gdy woda w stanie ciekłym paruje, staje się parą lub parą wodną – proces ten zachodzi na płytach kuchennych i w kałużach na zewnątrz pod słońcem.

Mieszanina gazów zwana powietrzem – która zazwyczaj składa się z 78 procent azotu, 21 procent tlenu i 1 procent inne gazy – otaczają wszystkie ziemskie stworzenia i wymieniają się z ich ciałami przez drogi oddechowe system. Podczas oddychania wiele zwierząt pobiera tlen z powietrza i eliminuje dwutlenek węgla ze swoich ciał, podczas gdy wiele roślin postępuje odwrotnie, pochłaniając dwutlenek węgla i wydzielając tlen.

Aby lepiej wyjaśnić zachowanie gazów, fizycy lubią przybliżać, jak zachowywałyby się gazy, gdyby były złożone z wielu cząstki punktowe poruszające się po liniach prostych i nie doświadczające oddziaływań międzycząsteczkowych – innymi słowy, bez interakcji z jednym inne.

Oczywiście żaden gaz nie jest w rzeczywistości idealny, ale biorąc pod uwagę, jak gaz by Działając zgodnie z takim opisem, fizycy są w stanie połączyć wiele prostych praw dotyczących właściwości gazowych w jedno: idealne prawo gazu.

• Idealnym prawem gazu jest PV = nRT, gdzie P jest presja, V to objętość, nie to liczba moli gazu, R jest stałą gazową i T jest temperatura.

W szczególności równanie stanu gazu doskonałego wywodzi się z czterech prostszych praw gazu, które pokazują fragmenty zależności w połączonym prawie gazu. Oni są:

• Prawo Boyle'a: Ciśnienie gazu jest odwrotnie proporcjonalne do jego objętości przy stałej temperaturze i ilości gazu.
• Prawo Charlesa: Objętość i temperatura gazu są proporcjonalne, gdy ciśnienie jest utrzymywane na stałym poziomie.
• Prawo Avogadro: Objętość gazu jest proporcjonalna do ilości gazu, gdy ciśnienie i temperatura są stałe.
• Prawo Amontona: ciśnienie i temperatura gazu są proporcjonalne, o ile ilość i objętość gazu są utrzymywane na stałym poziomie.