2. osztály - Fizika

A gázok tulajdonságai

Nincs térfogata, a gáz alkalmazkodik az edény alakjához és térfogatához melyben található. A gázok homogén keverékeket alkotnak függetlenül a gáz fajtájaitól és keverékek arányaitól. A gázok részecskéjei (atomok és molekulák) a tér 0,1% foglalják el, a többi üres tér (a folyadékoknál molekulák a tér 70% foglalják el). A gázok tömöríthetőek. Minden rászecske úgy viselkedik mintha a többi részecske nem is lenne a közelben. A különböző gázok hasonlóan videlkednek habár más-más molekulákból állnak.

A szilárd, folyékony és gázanyagok tulajdonságai:

×

Gázelemek és vegyületek

Gáz állapotban 12 elem van. Monoatom (nemes gázok) és kétatomos molekulák.

Minden amit felmelegítünk a forráspontjáig, gázhalmazállapotba változik. A gázok közé azokat az elemeket tartják, melyek rendszerinti állapotban gázneműek.

×

Az elemeken kívül egyes vegyületek rendszerinti állapotban gázneműek:
HCN - hidrogén-cianid
H₂S - kén-hidrogén
CO - szén-monoxid
CO₂ - szén-dioxid
CH₄ - metán
C₂H₄ - etilén
C₃H₈ - propán
N₂O - dinitrogén-oxid
NO₂ - nitrogén-dioxid
NH₃ - ammónia
SO₂ - kén-dioxid

A gázvegyületek többnyire kis molekuláris tömeggel rendelkeznek.

A hőmérséklet T[K], térfogat V[m³] és a nyomás p[Pa] a három ismert és már régóta meghatározható (mérhető) tulajdonságai a gázoknak.

A gázok tanulmányozásánál két elméleti modelt alkalmaznak a mai fizikában:

• kinetikus gázelmélet model a molekuláris struktúrából kiinduló. A részecskék nagy számának a kinetikus (mozgásenergia) és a sebesség középértékeinek figyelembevételével kiszámíthatóak az értékek melyek a gázok jellemzői a nyomás, hőmérséklet, és belső energia.
• termodinamikai (makroszkóp) model nem veszi figyelembe a gázok belső struktúráját és két alapelv határozza meg. Termodinamika biztosítja a kapcsolatot a nyomás, térfogat, hőmérséklet, hőmennyiség és entrópia között makroszkópiai szinten.

A részecskék mozgása

A gázok részecskéjei (molekulák és atomok) állandó jellegű káotikus (rendszertelen) mozgásban vannak. Mozgásuk rendszertelensége a részecskék sebességeinek különböző sebesség iránya, irányítása és intenzitása mutatja. A részecskék sebességei a kis értékektől (majdnem nyugalmi állapottól) a nehányszáz méter per másodpercig terjed. Minden irány ás irányítás egyformán találató (külső kihatás jelenléte nélkül). Az ütközések száma nagyon nagy, emiatt a részecskék útiránya sokszor megtört egyenesre hasonlít (cikk-cakk vonalra emlékeztet).

A gáz részecskéinek sebességeloszlása

A gázok részecskéjei nagyon különböző sebességekkel mozognak és különböző mozgási energiával rendelkeznek bizonyos hőmérsékleten meghatározható az átlagsebesség és az átlagmozgási energia. A részecskék ütközése nagyon gyakori esemény. Egy bizonyos gázban egy adott pillanatban a részecskék nagyon eltérő sebeségekkel mozognak.

A diagramokon az x tengelyen a részecskék sebességei vannak kimutatva nullától a maximális sebességig, amíg az y tengelyen az n részecskék száma. A diagram mutatja hogy az adott sebességgel hány részecske mozog. A v_n sebességgel mozog a legtöbb részecske, amíg a nulla illetve a maximális sebességgel a legkevesebb részecske mozog. A sebesség középértéke v (felső vonallal) valamivel nagyobb mint az előző sebesség és valamivel kevesebb részecske mozog ezzel a sebességel.

A grafikonról leolvasható hogy a hőmérséklet növelésével a nagyobb sebességekkel rendelkező részecskék száma nől, illetve a részecskék mozgása rendszertelenebb (káotikusabb).

Az ideális gáz modellje

Ideális gáz nem létezik a természetben. Az ideális gáz nagyon apró részecskékből áll és emiatt a részecskék közötti vonzóerők elhanyagolhatók.

Az ideális gázok részecskéit nagyon apró rugalmas golyókként képzelhetjük el melyek gyakran ütköznek egymással és az edény falaival amelyben vannak. Az ütközések rugalmasak (a részecske mozgási energiája és sebessége nem változik az ütközés után).

A gáz nyomása

A részecskék rendszertelen mozgásnak eredménye a nagy számú ütközés az edény falaival melyben a gáz van. Az edény falaihoz való ütközés alkalmával a részecskék megváltoztatják a mozgás irányát és irányítását.

Az ütküzések alkalmával a részecskék bizonyos nyomást végeznek az edény falaira melyben a gáz található. A nyomás amely ilyen alkalommal észlelhető néhány tényezőtől függ: mennyiség (részecskék koncentrációja az adott gázban), a részecskék sebességének középértéke és a részecskék tömege. Az alábbiak alapján, kihagyva a képlet levezetését meghatározató a kinetikus gázelmélet alaképlete:

A képletben:

• p - nyomás[Pa]
• n₀ - részecskék mennyisége (a részecskék száma egységes térfogatban) [1/m³]
• m - részecske tömege [kg]
• v(felülhúzva) - részecskék sebességének középértéke [m/s]

×

Az időjárás láthatatlan szabója: Mi a légkör nyomás?

Az időjárási körülmények, illetve a különböző időjárási állapotok változása szerint változik a légköri nyomás is. A meteorológiában a légnyomás az egyik legfontosabb fizikai érték amit figyelemmel kísérnek. A légnyomás figyelmes kisérése az időjárás viselkedését kisérjük és a segítségével ez előrejelzést is meg lehet határozni a az elkövetkező időszakban. Légköri nyomás betekintést nyújt a légkör állapotába.

Mi valójában a nyomás?

A nyomás jelentős érték fizikában, technikában, mindahogy a munka, erő és energia meghatározásánál. A gyakorlatból tudjuk, hogy a nyomás erő, amely merőlegesen hat a megfelelő érintkezési felületre. A mindennapi életben többféle nyomás észlelhető: például, amikor egy bizonyos tömegű test az érintkezési felület által hat a másik tesre, amelyen jelenleg van, legyen az merev test, folyadék vagy például a föld körüli levegőréteg. A nyuglami állapotban lévő folyadék nyomása az edényre hidrosztatikus nyomás, amíg a levegő nyomását légköri nyomásnak nevezzük.

Létezik belső nyomás is amelyet gáz vagy pára nyomásnak nevezünk. Mindezeket a különböző nyomásokat mőszerekkel mérünk melyeket nyomásmérőknek nevezünk. A Mértékegységek Nemzetközi Rendszere szerint a nyomásnak a Pascal (Pa) a mértékegysége. A pascal olyan nyomás amit egy newton intenzitású erő amely merőlegesen hat egyenletesen felosztva egy négyzetméterre.

Mi a légköri nyomás?

Az a nyomás amivel a légkör a föld felületére hat. Ez a nyomás, mely nagyon fontos meteorológiában jelentkezik mint maguknak a molekuláknak a súlya. A felső levegőrétegek nyomjaák az altattuk lévő levegőrétegeket ezek meg az alttuklévőeket és ez lefelé haladva a föld felszínéig sokszorozódik ls a légnyomást abrázolja. Ezek szerint érthető hogy a lékkör legalsóbb rétegein van a legnagyobb nyomás.

Ki mérte meg legelsőnek a légkör nyomásának értékét?

Az első tudós aki megmérte a légkör nyomását Toricceli volt. Ő egy 90 cm hosszú uvegcsővet feltöltött higannyal és és az alsó nyitott oldalát belehelyezte ehy edénybe melyben ugyanúgy higany volt, vigyázva hogy a csőbe ne kerüljön levegő. Így a cső felső felében nem volt sem levegő sem lékgör nyomás, csak az edényben lévő higanyra hatott a légkör nyomás. Ezután egyensúly lett a higanyoszlop és a légkör nyomás között. Ilyen módon Toricceli meghatározta a légkör nyomást a higanyoszlop magosságának mérésével. Ez a magosság fuggetlen a cső átmérőjétól de ő vigyázott nehogy a túl vékony csőben előjőjjönek a kapiláris jelenségek. A higanyoszlop magassága 76 cm volt. A megfelelő képlet alkalmazásával ki tudta számolni a normális légkör nyomását ami 101325 N/m², milibárban kimutatva 1013,25 mb.

A lékgör nyomásról általánosan…

A légkör nyomására különösen kalibrált nyomásmérőket használnak melyeket légnyomásmérőknek neveznek. Leggyakrabban a higanyon alapozott légnyomásmérőket alkalmazzák amely Toricceli csővén alapszik.

A légkör nyomás a tengerfeletti magasságtól függ. Az átlagos légkör nyomás amely 1013,25 mb az éves átlagnyomás a tengeri színten.

A tengerfeletti magasság növelésével a légkör nyomás is változik. Ez a változás elősször is a levegő nedvesség vátozása végett lépnek fel. A levegő többnyire mindig tartalmaz vízpárát mely ritkább mint a levegő, emiatt a levegő és a vízpára keverékének kisebb a sűrűsége.

Emiatt a légkör nyomás nedves levegőben csökkentett.

Innen ered a tévhitt is hogy a nedves levegőnek nagyobb a nyomása. Az eredete az hogy a nagyobb páratartalom jelenlétével csökkentett az oxigén jelenléte és a lélegzés nehezebb. A lélegző szervek gyorsabb fáradása kelti azt a benyomást hogy a légkör nyomás nagyobb.

A légkör nyomás a hőmérséklettől, tengeri magoslattól is függ nemcsak a nedvességtől. A légkör nyomás legnagyobb értéke a tengeri színten mérhető és csökken a magasság növelésével. minden 8,5 méternél 1kPa-val csökken később kevesebb a csökkenés. Ez a magyarázat a légkör és a magasság összefüggésére. A nyomás ekszponenciálisan csökken a magasság novelésével. A nyomás leggyorsabban csökken a kis magosságoknál, később lassul a nyomáscsökkenés. A légkör nyomás ilyen tulajdonsága lehetőséget ad rá hogy a magasságot a légkör nyomása alapján határozzuk meg. A légnyomásmérőt már eleve úgy lehet kialakítani hogy a tengerfeletti magasságot mutatja ki. Az ilyen műszereket magasságmérőknek nevezzük a repülőknél alkalmazzák a magasság meghatározásához.

A szöveg szerzője: Andreja Marković
Forrás: www.crometeo.hr

Az ideális gáz átlagos mozgási energiája

Az ideális gáz átlagos mozgási energiája arányos az abszolút hőmérséklettel (másszóval az ideális gáz átlagos mozgási energiája a gáz hőmérsékletétől függ):

A képlet levezetése a gázok részecskéinek átlagos mozgásenergiájából indul, alkalmazva a káotikusan mozgó részecskék sebességeinek felosztását.

A képletben:

• E_k - az ideális gáz átlagos mozgási energiája [J]
• k - Boltzmann állandó 1,38.10^-23 [J/K]
• T - hőmérséklet [K]

Az ideális gáz állapota

Amennyiben az előző két képlettel kombináljuk ezt a harmadik képletet a mozgási (kinetikus) energia képlettel, az alábbiakban lévők alkalmazásával:
* mv² közös az első és harmadik képletben és
* E_k közös az második és harmadik képletben.

Ennek alapján meghatározható az ideális gáz alapegyenlete:

A képletekben:

• p - nyomás [Pa]
• V - térfogat [m³]
• N - részecskék koncentrációja (a gáz részecskéinek száma egy egységes térfogatban) [1/m³]
• k - Boltzmann állandó 1,38.10^-23 [J/K]
• T - hőmérséklet [K]
• n - gázmennyiség [mol]
• R - egyetemes gázállandó 8,314472 [J/(molK)]

Állandó részecskeszám (N-const) esetén a gáz nyomásának és térfogatának szorzata egyenesen arányos a gáz abszolút hőmérsékletével.

A hőmérséklet és az abszolút zérus fok (nullapont)

Az anyag mozgáselmélet alapján a hőmérséklet szűk összefüggésben áll a belső energiával amely a gázoknál csak a részecskék mozgásenergiájára utal. A potenciális energia amely a gázrészecskék egymásközötti hatást képviseli, elhanyagolható mivel a részecskék távolsága sokkal nagyobb mint a folyadékok vagy szilárd anyagok esetéban.

A hőmérséklet egyenesen arányos a káotikusan történő részecskék mozgásának mozgási energia középértékének.

Ilyen módon van deffiniálva az abszolút hőmérséklet. A jelölése T és az egyik a hét fizikai alapérték közül.

A hőmérséklet akkor nulla amikor a részecskék mozgási energia középértéke nulla. Ez a hőmérséklet legkisebb értéke. A hőmérséklet melyen a részecskék mozgása leáll (a mozgásenergia és a sebesség nulla), el van nevezve mint abszolút zérus fok illetve nullapont.

A 19. évszázad közepén elméleti úton meg lett határozva a legalacsonyabb hőmérséklet amely értéke -273.15⁰C (abszolút zérus fok). A hőmérséklet amelyet az abszolút nullától kezdve mérnek az abszolút hőmérséklet illetve Kelvin hőmérséklet. A nemzetözi mértékegységekben a hőmérséklet Kelvin fokokban van kifejezve (K). A kelvin fok megegyezik a celzius fokkal, a külonbség 273.15 fok a két skála nulla pontja között.

A Boyle - Mariotte törvény

Az ideális gáz állapota egyértelmű meghatározásához szükséges egyidejűleg ismerni ezeket az értékeket: a gáz mennyiségét, nyomását, térfogatát és hőmérsékletét. A gázokban történő folyamatokat megközelíthetőleg úgy tekinthetjük mint folyamatok melyekben csak két érték változik amíg a többi érték állandóak:
* izoterm (állandó hőmérséklet),
* izochor (állandó térfogat),
* izobár (állandó nyomás).

Robert Boyle, ír származású angol fizikus és vegyész, Newton kortársa, egyike a Brit tudományos akadémia alapítójai közül. Oxfordban dolgozott és kisérleti úton meghatározta a gázok nyomásának összefüggését a térfogattal, állandó hőmérsékletnél. Függetlenül tőle ugyanazt az összefüggést fedezte fel francia fizikus Mariotte is. Emiatt ez a törvény mindkét tudós nevét viseli.

Az izoterm folyamatoknál (állandó hőmérsékletnél történő folyamatoknál) érvényes:

A nyomás és a térfogat szorzata állandó hőmérsékletnél nem változik.

Charles törvénye

A nyomás és hőmérséklet összefüggését kísérleti úton elsőnek Francia fizikus Charles tanulmányozta.

A hőmérséklet növelésével a nyomás is növekszik, és ez az összefüggés lineáris (egyenesvonalú).
Az egyenest amely a nyomás és hőmérséklet összefüggését mutatja állandó térfogatnál izochornak nevezik.

Gay-Lussac törvény

Gay-Lussac francia fizikus és vegyész a Párizsi tudományos akadémia tagja volt. Kísérletezett a gázok térfogata és hőmérséklete összefüggésével állandó nyomás mellett. Megatározta e értékek kapcsolatát amely törvény manapság az ő nevét viseli: Gay-Lussac törvény. Bebizonyította hogy a terjedési együttható egyforma minden gázra és meghatározta értékét: γ=1/273.15 ⁰C.

Az állandó mennyiségű gáz térfogata állandó nyomáson lineáris függvénye a hőmérsékletnek.

Az egyenes amely a gáz térfogat változását mutatja a hőmérséklet függvényében állandó nyomáson izobárnak nevezik.