Gaser (fysik): definition, egenskaper och exempel

Luften vi andas och rör oss dagligen, helium i våra födelsedagsballonger och metan som används för uppvärmning är vanliga exempel på gaser. Gas är ett av de tre huvudsakliga tillstånden för materia, tillsammans med fasta ämnen och vätskor.

Materietillstånden skiljer sig beroende på hur nära packade partiklarna är - en konsekvens av hur mycket kinetisk energi de har - vilket resulterar i distinkta egenskaper.

I sitt fasta tillstånd är materia den närmast packade. Molekylerna i ett fast ämne hålls samman av atombindningar och attraktioner. Som ett resultat vibrerar de på plats snarare än att flyta fritt runt. Torrsubstanser har bestämda former och volymer, och de komprimeras inte lätt. det vill säga de håller sin form ganska bra.

I sitt flytande tillstånd är materien mindre tätt packad än i ett fast ämne, tack vare svagare intermolekylära bindningar. I närvaro av ett gravitationsfält kommer en vätska att ta formen på sin behållare; i frånvaro av tyngdkraft bildas det till sfäriska former.

I sitt gasformiga tillstånd upplever materien svaga interaktioner med sig själv. Partiklar kan röra sig ganska fritt. Som ett resultat tar gaserna formen och volymen på vilken behållare de än befinner sig i. Öppna ugnen efter att ha bakat en tårta, och gasen som var inne sprids i hela huset så att kakan kan luktas från alla rum.

Det nyaste tillstånd av materia som fysiker känner till är plasma, ett tillstånd där de atomer som utgör materien själva bryts ner. Plasma förekommer endast vid extrema temperaturer och tryck, som de som finns i solens centrum. Eftersom elektroner avlägsnas från atomer under dessa förhållanden blir en plasma en blandning av fria elektroner, de kvarvarande positivt laddade jonerna och neutrala atomer. När det gäller beteende fungerar en plasma som en gas, men på grund av laddningarna har den också elektromagnetiska egenskaper.

Materia kan förändras från ett tillstånd till ett annat beroende på tryck och temperatur. En sådan omvandling är känd som en fasförändring. Till exempel smälter fast vatten i form av is vid uppvärmning till kokpunkt till flytande vatten, vilket i sin tur avdunstar till vattenånga med ännu mer tillsatt värme.

Motsatsen till avdunstning är kondens. När en gas kondenseras blir den en vätska.

Ett fast ämne kan övergå direkt till ett gasformigt tillstånd genom att genomgå sublimering. Sublimering händer när ett fast ämne har ett visst tryck under sin tredubbla punkt i ett fasdiagram. Till exempel sublimerar torris (fast koldioxid) vid upphettning i en atmosfär, till skillnad från "vanlig" is (vatten) som helt enkelt smälter till vätska när den värms upp i en atmosfär.

Den formella fysikbeskrivningen av en gas är ett ämne som inte har en bestämd volym (även kallad en fast volym) eller en bestämd form. Istället kommer en gas att ha formen på sin behållare eftersom gasmolekyler kan röra sig fritt förbi varandra.

Ett berömt hypotetiskt problem skapat av den framstående partikelfysikern Enrico Fermi hjälper till att illustrera detta. Fermi bad sina elever att uppskatta hur många molekyler av Caesars döende andedräkt som en människa idag kan förvänta sig att möta var och en av sina egna inandningar. Om vi ​​antar att den romerska kejsarens sista andetag har fördelats jämnt över hela världen nu (och inte har återabsorberats av hav eller växter), beräkningar visar att dagens levande varelser andas in ungefär en molekyl av hans döende andetag med var och en av dem deras.

Även om en vätska också kan ta formen på behållaren, ändrar inte en vätska volymen utan hjälp. Men en gas sprider sig alltid för att fylla behållaren och omvänt kan den komprimeras till en mindre behållare.

En viktig mätning för att beskriva en gas är tryck. Trycket på en gas är den kraft per ytenhet som gasen utövar på sin behållare. Mer tryck leder till mer kraft och vice versa.

Till exempel känns ett cykeldäck som pumpas upp till högt tryck lärt och hårt utifrån. Ett lågtrycksdäck utövar däremot mindre kraft utåt och som ett resultat känns det floppier och mjukare.

En annan viktig egenskap hos en gas är dess temperatur. En gastemperatur definieras som ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin per molekyl i gasen. Eftersom alla molekyler vibrerar, har de alla en viss mängd kinetisk energi.

Både tryck och temperatur behövs för att avgöra om materietillståndet är gasformigt. Vissa material är endast gaser vid höga temperaturer, medan andra är gaser vid låga temperaturer eller rumstemperatur. Under tiden är vissa material bara gaser vid höga temperaturer och lågt tryck. Ett fasdiagram visar materiens tillstånd för ett givet ämne vid olika kombinationer av temperatur och tryck.

Gaser finns i överflöd i världen omkring oss. Koldioxid, en vanlig växthusgas, avges när man bränner bränsle för att driva många av mänsklighetens nuvarande aktiviteter. När flytande vatten förångas blir det ånga eller vattenånga - en process som sker på spisens toppar och i pölar utanför solen.

Blandningen av gaser som kallas luft - som vanligtvis är 78 procent kväve, 21 procent syre och 1 procent andra gaser - omger alla marklevande varelser och utbyter med sina kroppar genom andningsvägarna systemet. När man andas extraherar många djur syre från luften och eliminerar koldioxid från sina kroppar, medan många växter gör det motsatta, tar in koldioxid och avger syre.

För att bättre kunna förklara gasernas beteende gillar fysiker att uppskatta hur gaserna skulle bete sig om de var gjorda av många punktpartiklar som rör sig i raka linjer och inte upplever intermolekylära krafter - med andra ord utan att interagera med en annan.

Naturligtvis är ingen gas egentligen idealisk, men genom att överväga hur en gas skulle agera enligt en sådan beskrivning, kan fysiker kombinera flera enkla lagar om gasformiga egenskaper i en: den ideala gaslagen.

• Den ideala gaslagen är PV = nRT, var P är tryck, V är volym, n är antalet mol av gasen, R är gaskonstanten och T är temperatur.

Specifikt är den ideala gaslagen härledd från fyra enklare gaslagar som visar delar av förhållandena i den kombinerade gaslagen. Dom är:

• Boyles lag: Ett gastryck är omvänt proportionellt mot dess volym vid en konstant temperatur och gasmängd.
• Charles 'lag: En gasvolym och temperatur är proportionell när trycket hålls konstant.
• Avogadros lag: Volymen på en gas är proportionell mot mängden gas när tryck och temperatur är konstanta.
• Amontons lag: Trycket och temperaturen på en gas är proportionell så länge gasens mängd och volym hålls konstant.