Plyny (fyzika): definícia, vlastnosti a príklady

Vzduch, ktorý denne dýchame a ktorým sa pohybujeme, hélium v ​​našich narodeninových balónoch a metán používaný na vykurovanie domu - to sú všetko bežné príklady plynov. Plyn je jedným z troch hlavných stavov hmoty spolu s tuhými a kvapalnými látkami.

Skupnosti hmoty sa líšia podľa toho, ako úzko zabalené sú častice - dôsledok toho, koľko majú kinetickej energie -, čo má za následok odlišné vlastnosti.

V pevnom stave je hmota najviac zabalená. Molekuly v tuhej látke sú držané pohromade pomocou atómových väzieb a atrakcií. Vďaka tomu skôr vibrujú na danom mieste, než aby voľne prúdili okolo. Plné telesá majú určité tvary a objemy a nedajú sa ľahko komprimovať; to znamená, že udržujú svoj tvar celkom dobre.

V tekutom stave je hmota vďaka slabším medzimolekulovým väzbám zabalená menej tesne ako tuhá látka. Keď je kvapalina v prítomnosti gravitačného poľa, získa tvar nádoby; pri neprítomnosti gravitácie sa formuje do sférických tvarov.

V plynnom skupenstve zažíva hmota slabé interakcie sama so sebou. Častice sa môžu pohybovať celkom voľne. Výsledkom je, že plyny nadobúdajú tvar a objem akejkoľvek nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Po upečení koláča otvorte rúru a plyn, ktorý bol vo vnútri, sa rozšíri po celom dome, aby bolo možné koláč cítiť z každej miestnosti.

Najnovším stavom hmoty, ktorý fyzici poznajú, je plazma, stav, pri ktorom sa rozkladajú atómy, ktoré tvoria samotnú hmotu. Plazma sa vyskytuje iba pri extrémnych teplotách a tlakoch, aké sa nachádzajú napríklad v strede slnka. Pretože za týchto podmienok sú elektróny z atómov odstránené, plazma končí ako zmes voľných elektrónov, zvyškov kladne nabitých iónov a neutrálnych atómov. Čo sa týka správania, plazma funguje ako plyn, ale kvôli zapojeným nábojom má aj elektromagnetické vlastnosti.

Hmota sa môže meniť z jedného stavu do druhého v závislosti od podmienok tlaku a teploty. Takáto transformácia je známa ako a fázová zmena. Napríklad pevná voda vo forme ľadu sa po zahriatí na teplotu varu rozpustí v kvapalnú vodu, ktorá sa za ešte väčšieho množstva tepla odparí na vodnú paru.

Opakom odparovania je kondenzácia. Keď plyn kondenzuje, stane sa z neho kvapalina.

Tuhá látka môže prejsť priamo do plynného skupenstva hmoty podrobením sa sublimácia. K sublimácii dochádza, keď je pevná látka vo fázovom diagrame pri určitom tlaku pod trojitým bodom. Napríklad suchý ľad (tuhý oxid uhličitý) sa pri zahriatí na jednu atmosféru sublimuje, na rozdiel od „bežného“ ľadu (voda), ktorý sa pri zahriatí na jednu atmosféru jednoducho roztaví na kvapalinu.

Formálny fyzikálny popis plynu je látka, ktorá nemá určitý objem (tiež sa nazýva pevný objem) alebo určitý tvar. Namiesto toho bude mať plyn tvar svojej nádoby, pretože molekuly plynu sa môžu voľne pohybovať okolo seba.

Na ilustráciu to pomáha známy hypotetický problém, ktorý vytvoril vynikajúci časticový fyzik Enrico Fermi. Fermi požiadal svojich študentov, aby priblížili, koľko molekúl Caesarovho umierajúceho dychu dnes môže človek očakávať, že sa stretnú s každou zo svojich vlastných inhalácií. Za predpokladu, že posledný dych rímskeho cisára sa už rovnomerne rozložil po celej planéte (a nebol reabsorbovaný oceán alebo rastliny), výpočty ukazujú, že dnešné živé bytosti dýchajú približne jednou molekulou svojho umierajúceho dychu s každou z ich.

Aj keď kvapalina môže mať tvar aj svojej nádoby, kvapalina bez pomoci nezmení svoj objem. Ale plyn sa vždy rozšíri, aby naplnil svoju nádobu, a naopak, môže byť stlačený do menšej nádoby.

Dôležitým meradlom na opísanie plynu je tlak. Tlak plynu je sila na jednotku plochy, ktorú plyn vyvíja na svoju nádobu. Väčší tlak vedie k väčšej sile a naopak.

Napríklad pneumatika na bicykel, ktorá je nafúknutá na vysoký tlak, sa cíti zvonku naučená a tvrdá. Nízkotlaková pneumatika naproti tomu vyvíja menej sily smerom von a vďaka tomu sa cíti pružnejšia a mäkšia.

Ďalšou kľúčovou charakteristikou plynu je jeho teplota. Teplota plynu je definovaná ako miera priemernej kinetickej energie na molekulu v plyne. Pretože všetky molekuly vibrujú, všetky majú určité množstvo kinetickej energie.

Tlak aj teplota sú potrebné na zistenie, či je skupenstvo látok plynné. Niektoré materiály sú plyny iba pri vysokých teplotách, zatiaľ čo iné sú plyny pri nízkych teplotách alebo izbovej teplote. Niektoré materiály sú zatiaľ iba plyny pri vysokých teplotách a nízke tlaky. Fázový diagram zobrazuje stav látky pre danú látku pri rôznych kombináciách teploty a tlaku.

Vo svete okolo nás sú veľké množstvá plynov. Oxid uhličitý, bežný skleníkový plyn, sa vydáva pri spaľovaní paliva na podporu mnohých súčasných aktivít ľudstva. Keď sa kvapalná voda odparí, stane sa z nej para alebo vodná para - proces, ktorý sa vyskytuje na vrchných častiach kachlí a v kalužiach vonku na slnku.

Zmes plynov známa ako vzduch - čo je zvyčajne 78 percent dusíka, 21 percent kyslíka a 1 percento iné plyny - obklopujú všetky suchozemské tvory a s ich telami sa vymieňajú cez dýchacie cesty systém. Pri dýchaní mnohé zvieratá extrahujú kyslík zo vzduchu a vylučujú oxid uhličitý z tela, zatiaľ čo mnohé rastliny robia opak, prijímajú kysličník uhličitý a vydávajú kyslík.

Fyzici radi pomôžu lepšie vysvetliť správanie plynov, aby priblížili, ako by sa tieto plyny správali, keby ich bolo veľa bodové častice pohybujúce sa v priamych líniách a nezažívajúce medzimolekulové sily - inými slovami bez interakcie s jednou ďalší.

Samozrejme, žiadny plyn nie je v skutočnosti ideálny, ale keď zvážime, ako na to plyn by podľa tohto popisu môžu fyzici kombinovať niekoľko jednoduchých zákonov o plynných vlastnostiach do jedného: zákon ideálneho plynu.

• Ideálny zákon o plyne je PV = nRT, kde P je tlak, V. je objem, n je počet mólov plynu, R je plynová konštanta a T je teplota.

Konkrétne, zákon ideálneho plynu je odvodený zo štyroch jednoduchších zákonov o plyne, ktoré ukazujú časti vzťahov v zákone o kombinovanom plyne. Oni sú:

• Boyleov zákon: Tlak plynu je nepriamo úmerný jeho objemu pri konštantnej teplote a množstve plynu.
• Charlesov zákon: Objem a teplota plynu sú proporcionálne, keď sa tlak udržuje na konštantnej hodnote.
• Avogadrov zákon: Objem plynu je úmerný množstvu plynu, keď sú tlak a teplota konštantné.
• Amontonov zákon: Tlak a teplota plynu sú proporcionálne, pokiaľ sa množstvo a objem plynu udržujú konštantné.