Воздух, которым мы дышим и в котором движемся ежедневно, гелий в воздушных шарах на день рождения и метан, используемый для отопления дома, - все это распространенные примеры газов. Газ - одно из трех основных состояний вещества, наряду с твердыми телами и жидкостями.
Состояния вещества
Состояния вещества различаются в зависимости от того, насколько плотно упакованы частицы - следствие того, сколько у них кинетической энергии - что приводит к различным характеристикам.
В твердом состоянии вещество упаковано наиболее плотно. Молекулы в твердом теле удерживаются вместе атомными связями и притяжениями. В результате они вибрируют на месте, а не текут свободно. Твердые тела имеют определенные формы и объемы, и их нелегко сжимать; то есть они довольно хорошо держат форму.
В жидком состоянии вещество менее плотно упаковано, чем в твердом, благодаря более слабым межмолекулярным связям. В присутствии гравитационного поля жидкость принимает форму своего сосуда; в отсутствие силы тяжести он принимает сферические формы.
В газообразном состоянии материя слабо взаимодействует сама с собой. Частицы могут свободно перемещаться. В результате газы принимают форму и объем того контейнера, в котором они находятся. После выпечки торта откройте духовку, и газ, который был внутри, распространится по всему дому, так что запах торта можно будет почувствовать из каждой комнаты.
Новейшее состояние вещества, известное физикам, - это плазма, состояние, при котором атомы, составляющие материю, разрушаются. Плазма возникает только при экстремальных температурах и давлениях, например, в центре Солнца. Поскольку в этих условиях электроны отделяются от атомов, плазма в конечном итоге представляет собой смесь свободных электронов, оставшихся положительно заряженных ионов и нейтральных атомов. С точки зрения поведения плазма действует как газ, но из-за наличия зарядов она также обладает электромагнитными свойствами.
Фазовые изменения
Материя может переходить из одного состояния в другое в зависимости от условий давления и температуры. Такое преобразование известно как изменение фазы. Например, твердая вода в виде льда при нагревании до точки кипения растворяется в жидкой воде, которая, в свою очередь, испаряется в водяной пар с еще большим количеством тепла.
Противоположность испарению - конденсация. Когда газ конденсируется, он становится жидкостью.
Твердое вещество может перейти непосредственно в газообразное состояние вещества, подвергаясь сублимация. Сублимация происходит, когда твердое тело находится под определенным давлением ниже своей тройной точки на фазовой диаграмме. Например, сухой лед (твердая двуокись углерода) сублимируется при нагревании до одной атмосферы, в отличие от «обычного» льда (воды), который просто превращается в жидкость при нагревании до одной атмосферы.
Определение газа
Формальное физическое описание газа - это вещество, которое не имеет определенного объема (также называемого фиксированным объемом) или определенной формы. Вместо этого газ примет форму своего сосуда, потому что молекулы газа могут свободно перемещаться друг мимо друга.
Известная гипотетическая проблема, созданная выдающимся физиком элементарных частиц Энрико Ферми, помогает проиллюстрировать это. Ферми попросил своих учеников приблизительно определить, сколько молекул предсмертного дыхания Цезаря может ожидать человек сегодня, встретившись с каждым своим вдохом. Если предположить, что последний вздох римского императора к настоящему времени равномерно распространился по всему земному шару (и не был повторно поглощен океана или растений), расчеты показывают, что современные живые существа вдыхают примерно одну молекулу своего предсмертного дыхания каждым из их.
Хотя жидкость также может принимать форму своего сосуда, жидкость не меняет свой объем без посторонней помощи. Но газ всегда будет растекаться, чтобы заполнить свой контейнер, и, наоборот, его можно сжать в меньший контейнер.
Физические свойства газов
Важным параметром для описания газа является давление. Давление газа - это сила, действующая на единицу площади, которую газ оказывает на свой контейнер. Чем больше давление, тем больше сила, и наоборот.
Например, велосипедная шина, накачанная до высокого давления, кажется извне натянутой и жесткой. С другой стороны, шина низкого давления оказывает меньшее внешнее усилие, и в результате она кажется более гибкой и мягкой.
Еще одна ключевая характеристика газа - это его температура. Температура газа определяется как мера средней кинетической энергии, приходящейся на молекулу газа. Поскольку все молекулы вибрируют, все они обладают некоторым количеством кинетической энергии.
И давление, и температура необходимы, чтобы определить, является ли вещество газообразным. Некоторые материалы являются газами только при высоких температурах, а другие - газами при низких температурах или комнатной температуре. Между тем, некоторые материалы при высоких температурах являются только газами. а также низкое давление. Фазовая диаграмма показывает состояние вещества для данного вещества при различных комбинациях температуры и давления.
Примеры газов
Окружающий нас мир изобилует газами. Двуокись углерода, распространенный парниковый газ, выделяется при сжигании топлива для обеспечения многих видов деятельности человечества. Когда жидкая вода испаряется, она превращается в пар или водяной пар - процесс, который происходит на плитах и в лужах на улице под солнцем.
Смесь газов, известная как воздух, которая обычно состоит из 78 процентов азота, 21 процента кислорода и 1 процента. другие газы - окружает всех земных существ и обменивается с их телами через дыхательные пути. система. При дыхании многие животные извлекают кислород из воздуха и выводят углекислый газ из своего тела, в то время как многие растения поступают наоборот, поглощая углекислый газ и выделяя кислород.
Идеальный газ
Чтобы лучше объяснить поведение газов, физики хотели бы приблизительно определить, как бы они себя вели, если бы они состояли из множества точечные частицы, движущиеся по прямым линиям и не испытывающие межмолекулярных сил - другими словами, не взаимодействуя с ними Другой.
Конечно, отсутствие газа на самом деле не идеальный вариант, но если учесть, как газ было бы Действуя в соответствии с таким описанием, физики могут объединить несколько простых законов о свойствах газа в один: закон идеального газа.
Советы
Закон идеального газа PV = nRT, где п это давление, V объем, п количество молей газа, р - газовая постоянная и Т это температура.
В частности, закон идеального газа выводится из четырех более простых законов газа, которые показывают части взаимосвязей в законе комбинированного газа. Они есть:
- Закон Бойля: давление газа обратно пропорционально его объему при постоянной температуре и количестве газа.
- Закон Чарльза: объем и температура газа пропорциональны, если давление поддерживается постоянным.
- Закон Авогадро: объем газа пропорционален количеству газа, когда давление и температура постоянны.
- Закон Амонтона: давление и температура газа пропорциональны, пока количество и объем газа остаются постоянными.