ก๊าซ (ฟิสิกส์): ความหมาย คุณสมบัติ และตัวอย่าง

อากาศที่เราหายใจเข้าและเคลื่อนผ่านทุกวัน ฮีเลียมในลูกโป่งวันเกิดของเรา และมีเธนที่ใช้สำหรับทำความร้อนในบ้านล้วนเป็นตัวอย่างทั่วไปของก๊าซ แก๊สเป็นหนึ่งในสามสถานะหลักของสสาร พร้อมด้วยของแข็งและของเหลว

สถานะของสสารแตกต่างกันไปตามความหนาแน่นของอนุภาค ซึ่งเป็นผลมาจากพลังงานจลน์ที่พวกมันมี ซึ่งส่งผลให้มีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกัน

ในสถานะของแข็ง สสารจะแน่นที่สุด โมเลกุลในของแข็งถูกยึดเข้าด้วยกันโดยพันธะอะตอมและแรงดึงดูด เป็นผลให้พวกเขาสั่นสะเทือนในสถานที่แทนที่จะไหลอย่างอิสระ ของแข็งมีรูปร่างและปริมาตรที่แน่นอน และไม่สามารถบีบอัดได้ง่าย นั่นคือพวกเขารักษารูปร่างได้ค่อนข้างดี

ในสถานะของเหลว สสารจะถูกบรรจุอย่างใกล้ชิดน้อยกว่าในของแข็ง เนื่องจากพันธะระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอกว่า เมื่ออยู่ในที่ที่มีสนามโน้มถ่วง ของเหลวจะกลายเป็นภาชนะ เมื่อไม่มีแรงโน้มถ่วง ก็จะเกิดเป็นทรงกลม

ในสถานะก๊าซ สสารจะมีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอกับตัวเอง อนุภาคสามารถเคลื่อนที่ไปมาได้ค่อนข้างอิสระ ส่งผลให้ก๊าซมีรูปร่างและปริมาตรของภาชนะที่บรรจุอยู่ เปิดเตาอบหลังจากอบเค้กแล้วก๊าซที่อยู่ภายในจะกระจายไปทั่วบ้านเพื่อให้เค้กได้กลิ่นจากทุกห้อง

สถานะของสสารใหม่ล่าสุดที่นักฟิสิกส์รู้จักคือพลาสมา ซึ่งเป็นสภาวะที่อะตอมที่ประกอบขึ้นเป็นสสารจะสลายตัว พลาสมาเกิดขึ้นที่อุณหภูมิและความกดดันสูงเท่านั้น เช่นที่พบในใจกลางดวงอาทิตย์ เนื่องจากอิเล็กตรอนถูกดึงออกจากอะตอมในสภาวะเหล่านี้ พลาสมาจึงกลายเป็นส่วนผสมของอิเล็กตรอนอิสระ ไอออนที่มีประจุบวกและอะตอมที่เป็นกลางที่เหลืออยู่ ในแง่ของพฤติกรรม พลาสมาทำหน้าที่เหมือนก๊าซ แต่เนื่องจากประจุที่เกี่ยวข้อง มันจึงมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย

สสารสามารถเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งได้ขึ้นอยู่กับสภาวะของความดันและอุณหภูมิ การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเรียกว่า การเปลี่ยนเฟส. ตัวอย่างเช่น น้ำที่เป็นของแข็งในรูปของน้ำแข็งเมื่อถูกความร้อนจนถึงจุดเดือดจะละลายเป็นน้ำของเหลว ซึ่งจะระเหยกลายเป็นไอน้ำด้วยความร้อนที่เพิ่มมากขึ้น

ตรงกันข้ามกับการระเหยคือการควบแน่น เมื่อก๊าซควบแน่น จะกลายเป็นของเหลว

ของแข็งสามารถเปลี่ยนเป็นสถานะก๊าซของสสารได้โดยตรงโดยผ่าน ระเหิด. การระเหิดเกิดขึ้นเมื่อของแข็งมีความดันต่ำกว่าจุดสามจุดในแผนภาพเฟส ตัวอย่างเช่น น้ำแข็งแห้ง (คาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นของแข็ง) จะระเหยเมื่อถูกความร้อนที่บรรยากาศหนึ่ง ซึ่งแตกต่างจากน้ำแข็ง "ปกติ" (น้ำ) ที่ละลายเป็นของเหลวเมื่อถูกความร้อนในบรรยากาศเดียว

คำอธิบายทางฟิสิกส์อย่างเป็นทางการของก๊าซคือสารที่ไม่มีปริมาตรที่แน่นอน (เรียกอีกอย่างว่าปริมาตรคงที่) หรือรูปร่างที่แน่นอน ก๊าซจะเปลี่ยนรูปร่างของภาชนะแทนเพราะโมเลกุลของก๊าซสามารถเคลื่อนที่ผ่านกันและกันได้อย่างอิสระ

ปัญหาสมมุติฐานที่มีชื่อเสียงซึ่งสร้างขึ้นโดย Enrico Fermi นักฟิสิกส์อนุภาคที่มีชื่อเสียงช่วยอธิบายเรื่องนี้ Fermi ขอให้นักเรียนของเขาประมาณจำนวนโมเลกุลของลมหายใจที่กำลังจะตายของซีซาร์ที่มนุษย์ในปัจจุบันสามารถคาดหวังได้จากการสูดหายใจเข้าแต่ละครั้ง สมมติว่าลมหายใจสุดท้ายของจักรพรรดิโรมันได้กระจายไปทั่วโลกอย่างสม่ำเสมอ (และยังไม่ได้ถูกดูดกลับโดย มหาสมุทรหรือพืช) การคำนวณแสดงให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตในปัจจุบันหายใจเข้าประมาณหนึ่งโมเลกุลของลมหายใจที่กำลังจะตายด้วยแต่ละตัว ของพวกเขา

แม้ว่าของเหลวจะมีรูปร่างเหมือนภาชนะได้ แต่ของเหลวจะไม่เปลี่ยนปริมาตรโดยไม่ได้รับความช่วยเหลือ แต่ก๊าซจะกระจายออกไปเพื่อเติมลงในภาชนะเสมอ และในทางกลับกัน ก็สามารถบีบอัดก๊าซให้เป็นภาชนะที่มีขนาดเล็กกว่าได้

การวัดที่สำคัญในการอธิบายก๊าซคือ ความดัน. ความดันของก๊าซคือแรงต่อหน่วยพื้นที่ที่ก๊าซกระทำต่อภาชนะ ความกดดันที่มากขึ้นนำไปสู่แรงที่มากขึ้นและในทางกลับกัน

ตัวอย่างเช่น ยางรถจักรยานที่สูบด้วยแรงดันสูงนั้นให้ความรู้สึกเหมือนได้รับการสอนและแข็งแกร่งจากภายนอก ในทางกลับกัน ยางแรงดันต่ำจะออกแรงภายนอกน้อยลง ส่งผลให้ยางรู้สึกเบาและนุ่มขึ้น

ลักษณะสำคัญของก๊าซอีกประการหนึ่งคือมัน อุณหภูมิ. อุณหภูมิของก๊าซถูกกำหนดให้เป็นหน่วยวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลในก๊าซ เนื่องจากโมเลกุลทั้งหมดสั่นสะเทือน พวกมันทั้งหมดจึงมีพลังงานจลน์อยู่บ้าง

จำเป็นต้องใช้ทั้งความดันและอุณหภูมิเพื่อตรวจสอบว่าสถานะของสสารเป็นก๊าซหรือไม่ วัสดุบางชนิดเป็นก๊าซที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น ในขณะที่วัสดุอื่นๆ เป็นก๊าซที่อุณหภูมิต่ำหรืออุณหภูมิห้อง ในขณะเดียวกัน วัสดุบางชนิดก็เป็นก๊าซที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น และ แรงดันต่ำ แผนภาพเฟสแสดงสถานะของสสารสำหรับสารที่กำหนดที่การรวมกันของอุณหภูมิและความดันต่างๆ

ก๊าซมีอยู่มากมายในโลกรอบตัวเรา คาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกทั่วไป จะถูกปลดปล่อยออกมาเมื่อเผาไหม้เชื้อเพลิงเพื่อให้พลังงานแก่กิจกรรมหลายอย่างในปัจจุบันของมนุษยชาติ เมื่อของเหลวระเหยกลายเป็นไอหรือไอน้ำ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นบนยอดเตาและในแอ่งน้ำด้านนอกภายใต้แสงแดด

ส่วนผสมของก๊าซที่เรียกว่าอากาศ ซึ่งโดยทั่วไปคือไนโตรเจน 78 เปอร์เซ็นต์ ออกซิเจน 21% และ 1 เปอร์เซ็นต์ ก๊าซอื่นๆ – ล้อมรอบสิ่งมีชีวิตบนบกทั้งหมดและแลกเปลี่ยนกับร่างกายของพวกมันผ่านทางเดินหายใจ ระบบ. เมื่อหายใจเข้าไป สัตว์จำนวนมากจะดึงออกซิเจนจากอากาศและกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากร่างกาย ในขณะที่พืชหลายชนิดทำสิ่งตรงกันข้าม โดยรับคาร์บอนไดออกไซด์และปล่อยออกซิเจน

เพื่อช่วยอธิบายพฤติกรรมของก๊าซได้ดียิ่งขึ้น นักฟิสิกส์ชอบที่จะประมาณว่าก๊าซจะมีพฤติกรรมอย่างไรหากประกอบด้วยหลายองค์ประกอบ ชี้อนุภาคที่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและไม่ได้รับแรงระหว่างโมเลกุล - กล่าวอีกนัยหนึ่งโดยไม่ต้องมีปฏิสัมพันธ์กับหนึ่ง อื่น

แน่นอนว่าไม่มีก๊าซใดที่เหมาะสมที่สุด แต่เมื่อพิจารณาว่าก๊าซเป็นอย่างไร จะ ภายใต้คำอธิบายดังกล่าว นักฟิสิกส์สามารถรวมกฎง่ายๆ หลายข้อเกี่ยวกับคุณสมบัติของก๊าซให้เป็นหนึ่งเดียว: กฎของแก๊สในอุดมคติ

• กฎของแก๊สในอุดมคติคือ PV = nRTที่ไหน พี คือความกดดัน วี คือปริมาณ น คือจำนวนโมลของแก๊ส R คือค่าคงที่ของแก๊สและ ตู่ คืออุณหภูมิ

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กฎของแก๊สในอุดมคติได้มาจากกฎของแก๊สที่ง่ายกว่าสี่ข้อซึ่งแสดงชิ้นส่วนของความสัมพันธ์ในกฎของแก๊สรวม พวกเขาเป็น:

• กฎของบอยล์: ความดันของแก๊สแปรผกผันกับปริมาตรที่อุณหภูมิคงที่และปริมาณของแก๊ส
• กฎของชาร์ลส์: ปริมาตรและอุณหภูมิของแก๊สเป็นสัดส่วนเมื่อความดันคงที่
• กฎของอโวกาโดร: ปริมาตรของก๊าซเป็นสัดส่วนกับปริมาณของก๊าซเมื่อความดันและอุณหภูมิคงที่
• กฎของ Amonton: ความดันและอุณหภูมิของก๊าซเป็นสัดส่วนตราบใดที่ปริมาณและปริมาตรของก๊าซคงที่