Гази (фізика): визначення, властивості та приклади

Повітря, яким ми дихаємо і рухаємось щодня, гелій у наших повітряних кулях до дня народження та метан, що використовується для опалення будинку, - загальні приклади газів. Газ - один із трьох основних станів речовини, поряд із твердими речовинами та рідинами.

Стани речовини різняться залежно від того, наскільки щільно упаковані частинки - наслідок того, скільки кінетичної енергії вони мають - що призводить до різних характеристик.

У своєму твердому стані речовина найбільш щільно упакована. Молекули твердої речовини утримуються разом за допомогою атомних зв’язків та притягань. В результаті вони вібрують на місці, а не вільно обтікають. Тверді речовини мають певні форми і обсяги, і вони не легко стискаються; тобто вони досить добре тримають форму.

У рідкому стані речовина упакована менш щільно, ніж у твердому, завдяки слабшим міжмолекулярним зв’язкам. У присутності гравітаційного поля рідина прийме форму свого контейнера; за відсутності сили тяжіння вона формується у сферичні форми.

У своєму газоподібному стані речовина відчуває слабку взаємодію з собою. Частинки можуть рухатися досить вільно. Як результат, гази приймають форму та об’єм будь-якої ємності, в якій вони перебувають. Відкрийте піч після випікання торта, і газ, який був усередині, розповсюдиться по всьому будинку, так що торт зможе відчути запах з кожної кімнати.

Найновіший стан речовини, відомий фізикам, - це плазма, стан, при якому атоми, що складають речовину, самі руйнуються. Плазма відбувається лише при екстремальних температурах і тиску, таких як ті, що знаходяться в центрі сонця. Оскільки в цих умовах електрони відбираються від атомів, плазма виявляється сумішшю вільних електронів, залишків позитивно заряджених іонів та нейтральних атомів. Що стосується поведінки, плазма діє як газ, але через заряди вона також має електромагнітні властивості.

Матерія може змінюватися від одного стану до іншого залежно від умов тиску та температури. Така трансформація відома як зміна фази. Наприклад, тверда вода у вигляді льоду при нагріванні до температури кипіння плавиться у рідку воду, яка в свою чергу випаровується у водяну пару з ще більшим додаванням тепла.

Протилежністю випаровуванню є конденсація. Коли газ конденсується, він стає рідиною.

Тверде речовина може переходити безпосередньо у газоподібний стан речовини сублімація. Сублімація відбувається, коли тверда речовина знаходиться під певним тиском нижче своєї потрійної точки на фазовій діаграмі. Наприклад, сухий лід (твердий вуглекислий газ) сублімується при нагріванні в одній атмосфері, на відміну від "звичайного" льоду (води), який просто плавиться в рідині при нагріванні в одній атмосфері.

Офіційний фізичний опис газу - це речовина, яка не має певного об’єму (його також називають фіксованим об’ємом) або певної форми. Натомість газ набуде форми своєї ємності, оскільки молекули газу можуть вільно рухатись один біля одного.

Проілюструвати це допомагає відома гіпотетична проблема, створена видатним фізиком частинок Енріко Фермі. Фермі попросив своїх учнів наблизити, скільки молекул передсмертного дихання Цезаря може сподіватися сьогодні людині на кожен зі своїх вдихів. Припускаючи, що останній подих римського імператора до цього часу розподілився рівномірно по всьому світу (і не був поглинутий океану або рослин), розрахунки показують, що сучасні живі істоти вдихають приблизно одну молекулу свого вмираючого дихання з кожною з них їх.

Хоча рідина може також приймати форму свого контейнера, рідина не змінює свій обсяг без допомоги. Але газ завжди розповсюджується, щоб заповнити свою ємність, і навпаки, його можна стиснути в менший контейнер.

Важливим виміром для опису газу є тиску. Тиск газу - це сила на одиницю площі, яку газ чинить на свою ємність. Більший тиск призводить до більшої сили, і навпаки.

Наприклад, велосипедна шина, накачана до високого тиску, відчуває себе навченою і важкою ззовні. З іншого боку, шина низького тиску надає менше сили назовні, і, як результат, вона відчуває себе більш м'якою та м'якою.

Ще однією ключовою характеристикою газу є його температури. Температура газу визначається як міра середньої кінетичної енергії на молекулу в газі. Оскільки всі молекули вібрують, всі вони мають певну кількість кінетичної енергії.

І тиск, і температура необхідні для того, щоб визначити, чи є стан речовини газоподібним. Деякі матеріали є газами лише при високій температурі, а інші - газами при низькій температурі або кімнатній температурі. Тим часом деякі матеріали є лише газами при високій температурі і низький тиск. Фазова діаграма показує стан речовини для даної речовини при різних поєднаннях температури та тиску.

У навколишньому світі багато газів. Вуглекислий газ, звичайний парниковий газ, виділяється при спалюванні палива для живлення багатьох видів поточної діяльності людства. Коли рідка вода випаровується, вона стає парою або водяною парою - процес, який відбувається на плитах і в калюжах зовні під сонцем.

Суміш газів, відома як повітря - це, як правило, 78 відсотків азоту, 21 відсотка кисню та 1 відсоток інші гази - оточує всі наземні істоти і обмінюється з їх тілами через дихальні шляхи система. При диханні багато тварин витягують кисень з повітря і виводять з організму вуглекислий газ, тоді як багато рослин роблять все навпаки, беручи вуглекислий газ і віддаючи кисень.

Щоб допомогти краще пояснити поведінку газів, фізики хотіли б наблизити, як би поводились гази, якби їх складали багато точкові частинки, що рухаються по прямих лініях і не відчувають міжмолекулярних сил - іншими словами, не взаємодіючи з ними інший.

Звичайно, жоден газ насправді не є ідеальним, але, розглянувши, як це газ б діючи за таким описом, фізики можуть поєднати кілька простих законів про газоподібні властивості в один: закон ідеального газу.

• Закон про ідеальний газ - це PV = nRT, де P це тиск, V - обсяг, п - кількість молей газу, Р - газова постійна і Т - це температура.

Зокрема, закон про ідеальний газ походить від чотирьох простих газових законів, які показують частини взаємозв’язків у комбінованому газовому законі. Вони є:

• Закон Бойля: Тиск газу обернено пропорційний його об’єму при постійній температурі та кількості газу.
• Закон Чарльза: Об'єм і температура газу пропорційні, коли тиск підтримується постійним.
• Закон Авогадро: Об’єм газу пропорційний кількості газу, коли тиск і температура постійні.
• Закон Амонтона: Тиск і температура газу пропорційні до тих пір, поки кількість і об’єм газу залишаються незмінними.