Plini (fizika): opredelitev, lastnosti in primeri

Zrak, ki ga dnevno vdihavamo in se premikamo, helij v naših rojstnodnevnih balonih in metan, ki se uporablja za ogrevanje stanovanj, so običajni primeri plinov. Plin je eno od treh glavnih snovi, skupaj s trdnimi snovmi in tekočinami.

Stanja snovi se razlikujejo glede na to, kako tesno so pakirani delci - posledica tega, koliko kinetične energije imajo - kar ima za posledico različne značilnosti.

V trdnem stanju je snov najbolj tesno zapakirana. Molekule v trdni snovi držijo skupaj atomske vezi in privlačnosti. Kot rezultat, vibrirajo na svojem mestu in ne tečejo prosto. Trdne snovi imajo določene oblike in prostornine in jih ni enostavno stisniti; to pomeni, da dokaj dobro ohranjajo svojo obliko.

V tekočem stanju je snov zaradi tesnejših medmolekularnih vezi manj tesno zapakirana kot v trdnem. V prisotnosti gravitacijskega polja bo tekočina dobila obliko posode; v odsotnosti gravitacije se oblikuje v sferične oblike.

V plinastem stanju snov doživlja šibke interakcije s sabo. Delci se lahko gibljejo povsem prosto. Posledično plini dobijo obliko in prostornino katerega koli vsebnika. Po pečici torte odprite pečico in plin, ki je bil v njej, se bo razširil po hiši, tako da bo torto zavohal iz vseh prostorov.

Najnovejše stanje snovi, ki ga poznajo fiziki, je plazma, stanje, v katerem se atomi, ki tvorijo materijo, razgrajujejo. Plazma se pojavi le pri ekstremnih temperaturah in tlakih, kakršni so v središču sonca. Ker se v teh pogojih elektroni odvzamejo iz atomov, je plazma mešanica prostih elektronov, ostankov pozitivno nabitih ionov in nevtralnih atomov. Kar zadeva vedenje, plazma deluje kot plin, vendar ima zaradi nabojev tudi elektromagnetne lastnosti.

Snov se lahko spreminja iz enega stanja v drugega, odvisno od pogojev tlaka in temperature. Takšna preobrazba je znana kot sprememba faze. Na primer trdna voda v obliki ledu, ko se segreje do svojega vrelišča, se stopi v tekočo vodo, ta pa s še večjo dodano toploto izhlapi v vodno paro.

Nasprotno od izhlapevanja je kondenzacija. Ko se plin kondenzira, postane tekočina.

Trdna snov lahko s prehodom preide neposredno v plinasto stanje snovi sublimacija. Sublimacija se zgodi, ko je trdna snov pod fazo diagrama pod določenim tlakom pod svojo trojno točko. Na primer suh led (trdni ogljikov dioksid) se sublimira pri segrevanju v eni atmosferi, za razliko od "običajnega" ledu (vode), ki se pri segrevanju v eni atmosferi preprosto stopi v tekočino.

Formalni fizikalni opis plina je snov, ki nima določene prostornine (imenovane tudi fiksna prostornina) ali določene oblike. Namesto tega bo plin dobil obliko posode, ker se molekule plina lahko prosto gibljejo ena mimo druge.

To nam ponazori slavni hipotetični problem, ki ga je ustvaril ugledni fizik delcev Enrico Fermi. Fermi je svoje učence prosil, naj približno ugotovijo, koliko molekul Cezarjevega umirajočega diha lahko človek danes pričakuje, da se bo srečal z vsakim svojim vdihom. Ob predpostavki, da se je zadnji dih rimskega cesarja do zdaj enakomerno porazdelil po vsem svetu (in ga ni ponovno absorbiral oceana ali rastlin), izračuni kažejo, da današnja živa bitja z vsakim od njih vdihnejo približno eno molekulo njegovega umirajočega diha njihov.

Čeprav ima tekočina tudi obliko posode, tekočina brez pomoči ne spremeni svoje prostornine. Toda plin se bo vedno razširil, da napolni svojo posodo in nasprotno, lahko ga stisne v manjšo posodo.

Pomembna meritev za opis plina je pritisk. Tlak plina je sila na enoto površine, ki jo plin izvaja na svojo posodo. Več pritiska vodi k večji sili in obratno.

Na primer, kolesarska pnevmatika, napolnjena z visokim pritiskom, se od zunaj počuti poučeno in trdo. Nizkotlačna pnevmatika pa deluje manj navzven, zato se počuti bolj tekoče in mehkejše.

Druga ključna značilnost plina je njegova temperatura. Temperatura plina je opredeljena kot merilo povprečne kinetične energije na molekulo v plinu. Ker vse molekule vibrirajo, imajo vse nekatere kinetične energije.

Tako tlak kot temperatura sta potrebna za ugotavljanje, ali je snovno stanje plinovito. Nekateri materiali so plini samo pri visokih temperaturah, drugi pa plini pri nizkih temperaturah ali sobni temperaturi. Medtem so nekateri materiali le plini pri visokih temperaturah in nizki tlaki. Fazni diagram prikazuje stanje snovi pri dani snovi pri različnih kombinacijah temperature in tlaka.

V svetu okoli nas je veliko plinov. Ogljikov dioksid, pogost toplogredni plin, se oddaja pri kurjenju goriva za pogon številnih trenutnih dejavnosti človeštva. Ko tekoča voda izhlapi, postane para ali vodna para - postopek, ki se zgodi na ploščah štedilnikov in v lužah zunaj pod soncem.

Mešanica plinov, znana kot zrak - to je običajno 78 odstotkov dušika, 21 odstotkov kisika in 1 odstotek drugi plini - obdaja vsa kopenska bitja in se z njihovimi telesi izmenjuje prek dihal sistem. Številne živali pri dihanju iz zraka izvlečejo kisik in iz telesa izločijo ogljikov dioksid, mnoge rastline pa storijo ravno nasprotno, vzejo ogljikov dioksid in oddajo kisik.

Za lažje razlago vedenja plinov fiziki radi približajo, kako bi se obnašali plini, če bi bili iz mnogih točkovni delci, ki se gibljejo v ravnih črtah in ne doživljajo medmolekularnih sil - z drugimi besedami, brez interakcije z eno drugo.

Seveda noben plin v resnici ni idealen, ampak z upoštevanjem, kako plin bi delujejo pod takim opisom, lahko fiziki združijo več preprostih zakonov o plinastih lastnostih v enega: zakon o idealnem plinu.

• Zakon o idealnem plinu je PV = nRT, kje P je pritisk, V je prostornina, n je število molov plina, R je plinska konstanta in T je temperatura.

Natančneje, zakon o idealnem plinu izhaja iz štirih preprostejših zakonov o plinu, ki prikazujejo del razmerja v kombiniranem zakonu o plinu. To so:

• Boyleov zakon: Tlak plina je obratno sorazmeren z njegovo prostornino pri konstantni temperaturi in količini plina.
• Charlesov zakon: Prostornina in temperatura plina sta sorazmerni, kadar je tlak konstanten.
• Avogadrov zakon: Prostornina plina je sorazmerna s količino plina, kadar sta tlak in temperatura konstantna.
• Amontonov zakon: Tlak in temperatura plina sta sorazmerna, dokler sta količina in prostornina plina konstantni.