Gaze (fizică): definiție, proprietăți și exemple

Aerul pe care îl respirăm și îl circulăm zilnic, heliul din baloanele noastre de ziua de naștere și metanul folosit pentru încălzirea locuinței sunt exemple comune de gaze. Gazul este una dintre cele trei stări principale ale materiei, alături de solide și lichide.

Stările materiei diferă în funcție de cât de strânse sunt particulele împachetate - o consecință a cantității de energie cinetică pe care o au - ceea ce duce la caracteristici distincte.

În starea sa solidă, materia este cea mai strâns împachetată. Moleculele dintr-un solid sunt ținute împreună de legături atomice și atracții. Drept urmare, ele vibrează pe loc, mai degrabă decât curg liber în jur. Solidele au forme și volume definite și nu sunt ușor de comprimat; adică își păstrează forma destul de bine.

În starea sa lichidă, materia este mai puțin strânsă decât în ​​solid, datorită legăturilor inter-moleculare mai slabe. Când este în prezența unui câmp gravitațional, un lichid va lua forma recipientului său; în absența gravitației, se formează în forme sferice.

În starea sa gazoasă, materia experimentează interacțiuni slabe cu ea însăși. Particulele se pot deplasa destul de liber. Ca urmare, gazele iau forma și volumul oricărui container în care se află. Deschideți cuptorul după ce ați copt o prăjitură, iar gazul din interior se va răspândi în toată casa, astfel încât prăjitura să poată fi mirosită din fiecare cameră.

Cea mai nouă stare a materiei cunoscută de fizicieni este plasma, o afecțiune în care atomii care alcătuiesc materia se descompun ei înșiși. Plasma apare doar la temperaturi și presiuni extreme, cum ar fi cele găsite în centrul soarelui. Deoarece electronii sunt eliminați din atomi în aceste condiții, o plasmă ajunge să fie un amestec de electroni liberi, restul de ioni încărcați pozitiv și atomi neutri. În ceea ce privește comportamentul, o plasmă acționează ca un gaz, dar din cauza sarcinilor implicate, are și proprietăți electromagnetice.

Materia se poate schimba de la o stare la alta în funcție de condițiile de presiune și temperatură. O astfel de transformare este cunoscută sub numele de schimbarea fazei. De exemplu, apa solidă sub formă de gheață atunci când este încălzită până la punctul de fierbere se va topi în apă lichidă, care la rândul său se va evapora în vapori de apă cu și mai multă căldură adăugată.

Opusul evaporării este condensarea. Când un gaz se condensează, acesta devine un lichid.

Un solid poate trece direct într-o stare gazoasă a materiei prin supunere sublimare. Sublimarea se întâmplă atunci când un solid se află la o anumită presiune sub punctul său triplu într-o diagramă de fază. De exemplu, gheața uscată (dioxid de carbon solid) sublimează atunci când este încălzită într-o atmosferă, spre deosebire de gheața „obișnuită” (apă) care se topește pur și simplu în lichid atunci când este încălzită într-o atmosferă.

Descrierea fizică formală a unui gaz este o substanță care nu are un volum definit (numit și volum fix) sau o formă definită. În schimb, un gaz va lua forma recipientului său, deoarece moleculele de gaz se pot deplasa liber una peste alta.

O celebră problemă ipotetică creată de preeminentul fizician de particule Enrico Fermi ajută la ilustrarea acestui lucru. Fermi le-a cerut studenților săi să aproximeze câte molecule din respirația muribundă a lui Cezar pe care un om de astăzi se poate aștepta să le întâmpine cu fiecare dintre inhalările lor. Presupunând că ultima suflare a împăratului roman s-a distribuit uniform pe tot globul până acum (și nu a fost reabsorbită de ocean sau plante), calculele arată că ființele vii de astăzi respiră aproximativ o moleculă din respirația sa pe moarte cu fiecare dintre ele a lor.

Deși un lichid poate lua și forma recipientului său, un lichid nu își modifică volumul fără ajutor. Dar un gaz se va întinde întotdeauna pentru a-și umple recipientul și, dimpotrivă, poate fi comprimat într-un container mai mic.

O măsurătoare importantă pentru a descrie un gaz este presiune. Presiunea unui gaz este forța pe unitate de suprafață pe care gazul o exercită asupra containerului său. Mai multă presiune duce la mai multă forță și invers.

De exemplu, o anvelopă de bicicletă pompată la o presiune ridicată se simte învățată și grea din exterior. O anvelopă cu presiune scăzută, pe de altă parte, exercită o forță mai mică spre exterior și, ca rezultat, se simte floppier și mai moale.

O altă caracteristică cheie a unui gaz este temperatura. Temperatura unui gaz este definită ca o măsură a energiei cinetice medii pe moleculă din gaz. Deoarece toate moleculele vibrează, toate au o cantitate de energie cinetică.

Atât presiunea, cât și temperatura sunt necesare pentru a determina dacă starea materiei este gazoasă. Unele materiale sunt gaze numai la temperaturi ridicate, în timp ce altele sunt gaze la temperaturi scăzute sau la temperatura camerei. Între timp, unele materiale sunt doar gaze la temperaturi ridicate și presiuni scăzute. O diagramă de fază arată starea materiei pentru o substanță dată la diferite combinații de temperatură și presiune.

Gazele abundă în lumea din jurul nostru. Dioxidul de carbon, un gaz de seră obișnuit, se degajă la arderea combustibilului pentru a alimenta multe dintre activitățile actuale ale umanității. Când apa lichidă se vaporizează, aceasta devine abur sau vapori de apă - un proces care are loc pe suprafețele aragazului și în bălțile din exterior sub soare.

Amestecul de gaze cunoscut sub numele de aer - care este de obicei 78% azot, 21% oxigen și 1% alte gaze - înconjoară toate creaturile terestre și schimbă cu corpul lor prin căile respiratorii sistem. Când respiră, multe animale extrag oxigen din aer și elimină dioxidul de carbon din corpul lor, în timp ce multe plante fac contrariul, absorbind dioxid de carbon și degajând oxigen.

Pentru a explica mai bine comportamentul gazelor, fizicienilor le place să aproximeze cum s-ar comporta gazele dacă ar fi compuse din multe particule punctiforme care se mișcă în linii drepte și nu experimentează forțe intermoleculare - cu alte cuvinte, fără a interacționa cu una un alt.

Desigur, nici un gaz nu este de fapt ideal, dar luând în considerare modul în care un gaz ar acționează sub o astfel de descriere, fizicienii sunt capabili să combine mai multe legi simple despre proprietățile gazoase într-una singură: legea ideală a gazelor.

• Legea ideală a gazelor este PV = nRT, Unde P este presiune, V este volum, n este numărul de moli ai gazului, R este constanta gazului si T este temperatura.

Mai exact, legea ideală a gazelor este derivată din patru legi mai simple ale gazelor care arată părți din relațiile din legea combinată a gazelor. Sunt:

• Legea lui Boyle: presiunea unui gaz este invers proporțională cu volumul său la o temperatură și o cantitate constante de gaz.
• Legea lui Charles: volumul și temperatura gazului sunt proporționale atunci când presiunea este menținută constantă.
• Legea lui Avogadro: Volumul unui gaz este proporțional cu cantitatea de gaz atunci când presiunea și temperatura sunt constante.
• Legea lui Amonton: Presiunea și temperatura unui gaz sunt proporționale atât timp cât cantitatea și volumul de gaz sunt menținute constante.