Плинови (физика): дефиниција, својства и примери

Ваздух који свакодневно удишемо и крећемо се, хелиј у рођенданским балонима и метан који се користи за грејање куће су уобичајени примери гасова. Гас је једно од три главна стања материје, заједно са чврстим материјама и течностима.

Стања материје се разликују у зависности од тога колико су честице чврсто упаковане - последица тога колико кинетичке енергије имају - што резултира различитим карактеристикама.

У свом чврстом стању материја је најуже спакована. Молекули у чврстом материјалу се држе заједно атомским везама и привлачностима. Као резултат, они вибрирају на месту, а не слободно се крећу около. Чврсте материје имају одређене облике и запремине и нису лако компримоване; односно прилично добро држе облик.

У течном стању, материја је слабије упакована него у чврстом стању, захваљујући слабијим међумолекуларним везама. Када је у присуству гравитационог поља, течност ће добити облик своје посуде; у одсуству гравитације формира се у сферне облике.

У свом гасовитом стању материја доживљава слабе интеракције са собом. Честице се могу сасвим слободно кретати. Као резултат, гасови попримају облик и запремину било које посуде у којој се налазе. Отворите пећницу након печења торте, а гас који се налазио унутра ће се проширити по кући тако да колач може мирисати из сваке собе.

Најновије стање материје познато физичарима је плазма, стање у којем се атоми који чине материју сами распадају. Плазма се јавља само при екстремним температурама и притисцима, попут оних који се налазе у центру сунца. Будући да се у овим условима електрони одузимају од атома, плазма на крају представља мешавину слободних електрона, остатака позитивно наелектрисаних јона и неутралних атома. Што се тиче понашања, плазма делује као гас, али због наелектрисања има и електромагнетна својства.

Материја се може мењати из једног стања у друго у зависности од услова притиска и температуре. Таква трансформација позната је као промена фазе. На пример, чврста вода у облику леда када се загреје до тачке кључања растопиће се у течну воду која ће заузврат испаравати у водену пару са још више додате топлоте.

Супротно испаравању је кондензација. Када се гас кондензује, постаје течност.

Чврста материја може преласком директно прећи у гасовито стање материје сублимација. Сублимација се дешава када је чврста супстанца на фазном дијаграму под одређеним притиском испод своје троструке тачке. На пример, суви лед (чврсти угљен-диоксид) сублимира се загревањем у једној атмосфери, за разлику од „обичног“ леда (воде) који се једноставно топи у течност када се загрева у једној атмосфери.

Формални физички опис гаса је супстанца која нема одређену запремину (која се назива и фиксна запремина) или одређени облик. Уместо тога, гас ће добити облик своје посуде, јер се молекули гаса могу слободно кретати један поред другог.

Чувени хипотетски проблем који је створио истакнути физичар честица Енрицо Ферми помаже у илустрацији овога. Ферми је тражио од својих ученика да приближе колико молекула Цезаровог умирућег даха човек данас може да очекује да ће се сусрести са сваким својим удисајем. Под претпоставком да се последњи дах римског цара до сада равномерно распоредио широм света (и није га поново упио океан или биљке), прорачуни показују да данашња жива бића удишу око један молекул његовог умирућег даха са сваким од њих њихов.

Иако течност такође може добити облик своје посуде, течност не мења запремину без помоћи. Али гас ће се увек ширити да би напунио свој контејнер и, обрнуто, може се компресовати у мањи контејнер.

Важно мерење за описивање гаса је притиска. Притисак гаса је сила по јединици површине коју гас врши на свој контејнер. Већи притисак доводи до веће силе и обрнуто.

На пример, бициклистичка гума пумпана до високог притиска споља се осећа поучено и тврдо. С друге стране, гума ниског притиска делује мање према споља, што резултира осећајем плуталије и мекше.

Друга кључна карактеристика гаса је његова температура. Температура гаса је дефинисана као мера просечне кинетичке енергије по молекулу у гасу. Будући да сви молекули вибрирају, сви они имају одређену количину кинетичке енергије.

И притисак и температура су потребни да би се утврдило да ли је стање материје гасовито. Неки материјали су гасови само на високим температурама, док су други гасови на ниским температурама или собној температури. У међувремену, неки материјали су само гасови на високим температурама и ниски притисци. Фазни дијаграм приказује стање материје за дату супстанцу при различитим комбинацијама температуре и притиска.

У свету око нас има пуно гасова. Угљен-диоксид, уобичајени гас са ефектом стаклене баште, испушта се приликом сагоревања горива за покретање многих тренутних активности човечанства. Када течна вода испари, она постаје пара или водена пара - процес који се дешава на плочама штедњака и у локвама под сунцем.

Смеша гасова позната као ваздух - која је обично 78 процената азота, 21 проценат кисеоника и 1 проценат остали гасови - окружују сва копнена створења и размењују се са њиховим телима путем респираторног система систем. При дисању многе животиње извлаче кисеоник из ваздуха и уклањају угљен-диоксид из тела, док многе биљке раде супротно, узимајући угљен-диоксид и одајући кисеоник.

Да би помогли у бољем објашњавању понашања гасова, физичари воле да примене како би се гасови понашали да су направљени од многих тачкасте честице које се крећу праволинијски и не доживљавају интермолекуларне силе - другим речима, без интеракције са једном други.

Наравно, ниједан гас заправо није идеалан, али узимајући у обзир како гас би делујући под таквим описом, физичари су у стању да комбинују више једноставних закона о гасовитим својствима у један: закон о идеалном гасу.

• Закон о идеалном гасу је ПВ = нРТ, где П. је притисак, В. је запремина, н је број молова гаса, Р. је гасна константа и Т. је температура.

Конкретно, закон о идеалном гасу изведен је из четири једноставнија закона о гасу који показују делове односа у комбинованом закону о гасу. Су:

• Бојлов закон: Притисак гаса је обрнуто пропорционалан његовој запремини при константној температури и количини гаса.
• Цхарлесов закон: Запремина и температура гаса пропорционални су када се притисак одржава константним.
• Авогадров закон: Запремина гаса пропорционална је количини гаса када су притисак и температура константни.
• Амонтонов закон: Притисак и температура гаса пропорционални су све док се количина и запремина гаса одржавају константним.