Gazy to rodzaj materii, która porusza się w atmosferze. Składają się z małych cząsteczek, które mają dużo energii.
Istnieje kilka praw, które opisują zachowanie gazów. Niektóre z tych praw to:
Temperatura
Gazy są głównym składnikiem atmosfery i reagują na zmiany temperatury, ciśnienia i objętości. Są rozszerzalne lub ściśliwe w wyniku tych zmian, które wynikają z ilości promieniowania słonecznego docierającego do atmosfery oraz jego sezonowych i dziennych zmian.
W przeszłości naukowcy stosowali kilka różnych podejść do wyjaśnienia właściwości gazów. Należą do nich termodynamika klasyczna, kinetyczna teoria gazów i fizyka statystyczna.
W XIX wieku włoski naukowiec Amedeo Avogadro ustalił matematyczny związek między zmiennymi mierzalnymi, takimi jak temperatura (T), ciśnienie (P) i objętość (V). Nazwał je „prawami gazowymi” i opisał na przykładzie gazu idealnego.
W szczelnym pojemniku cząsteczki gazu poruszają się z większą energią kinetyczną, gdy wzrasta temperatura. Powoduje to, że częściej wpadają na siebie i na ścianki pojemnika, co zwiększa ich całkowitą siłę na jednostkę powierzchni. Ta siła zwiększa ciśnienie gazu.
Ciśnienie
Gdy gaz porusza się i wibruje, wywiera ciśnienie na swoje otoczenie. Ciśnienie to zależy od średniej energii kinetycznej każdej cząsteczki gazu i jej prędkości podczas zderzania się ze ściankami zbiornika.
Dodanie ciepła do gazu zwiększa jego energię kinetyczną, więc cząsteczki gazu mogą poruszać się swobodniej i drgać szybciej. Potrzebują do tego więcej przestrzeni, ale są zamknięte w pojemniku, więc naciskają na granicę objętości, aby uzyskać więcej miejsca na rozprężenie.
Tę siłę nacisku mierzy się w paskalach (Pa), jednostce ciśnienia w układzie SI. Prawo gazów idealnych mówi, że pV=nRT, gdzie pV to średnia siła na mol gazu, a nRT to liczba moli gazu w próbce.
Gdy temperatura próbki gazu wzrasta, musi również wzrosnąć jej ciśnienie. Zależność ta znana jest jako prawo Boyle’a, nazwane tak na cześć angielskiego filozofa przyrody Roberta Boyle’a, który napisał je ponad 300 lat temu.
Objętość
Gdy gaz się ochładza, jego cząsteczki mają mniejszą energię kinetyczną (ruch) i mogą być upakowane w mniejszej objętości. Podobnie, gdy gaz jest podgrzewany, cząsteczki mają więcej energii kinetycznej i mogą być upakowane w większej objętości.
To oznacza, że zmiana temperatury gazu wpływa na jego ciśnienie i odwrotnie. Obie te zmiany reguluje zasada Le Chatliera.
Aby dobrze zrozumieć, jak to działa, rozważmy kilka przykładów. Jeśli chcemy zrobić balonik meteorologiczny, musimy podgrzać powietrze w jego wnętrzu, aby się rozszerzyło. Zwiększa to energię kinetyczną cząsteczek i pozwala im uderzać w powierzchnię pojemnika z większą siłą.
W końcu balon rozszerzy się tak, że jego ciśnienie będzie równe ciśnieniu powietrza na zewnątrz. W miarę jak balon będzie się rozszerzał, stanie się lżejszy i będzie oddalał się od ziemi. Ten wzrost objętości sprawia, że balon się unosi!
Zespolone prawo gazowe
Zespolone prawo gazowe, znane również jako prawo gazu idealnego, łączy zależności ciśnienie-objętość-temperatura z prawa Charlesa, prawa Boyle’a i prawa Gay-Lussaca. Jest to przydatne narzędzie w obliczeniach dotyczących mechaniki płynów i termodynamiki.
Pierwsze prawo nazywa się prawem Charlesa i mówi, że objętość gazu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury w skali kelwina, gdy ciśnienie gazu pozostaje stałe.
Należy zauważyć, że to prawo jest dokładne tylko w niskich temperaturach i ciśnieniach. Na przykład objętość gazu, który jest podgrzewany, będzie się zmniejszać wraz ze wzrostem jego temperatury.
Prawo Boyle’a mówi, że gaz zwiększa swoją objętość, gdy maleje jego ciśnienie. To dlatego bąbelki w wydechu nurka są większe, gdy wynurzają się na powierzchnię.
