Starea gazoasă. Legea gazelor ideale.

Întotdeauna și în orice loc ne-am aflat, suntem înconjurați de substanțe gazoase, deși ne e foarte ușor să uităm asta pentru că nu le putem vedea.

Dar dacă ar lipsi oxigenul dintr-o încăpere, am simțit imediat, sau dacă ar fi foarte mult gaz metan, la fel, ne-am dat seama imediat.

Deci, gazele sunt peste tot dizolvate în sângele nostru sau în apa minerală, sau dizolvate în lacuri, fluvii, mări și oceane.

Dacă oxigenul nu s-ar dizolva în apă, viața acvatică nu ar mai exista. Logic, nu?

Sunt două lucruri foarte importante pe care trebuie să le știm despre gaze.

Primul lucru foarte important este că atunci când gazele se fartă frumos, stau cu minți în vasul lor, ele au un comportament foarte ușor de înțeles și de descris,

atât teoretic și experimental, cât și matematic.

Deci, când gazele se fartă frumos, ne e foarte ușor să prezicem ce și cum se întâmplă cu un volum de gaz.

Al doilea lucru foarte important este că gazele se comportă frumos aproape niciodată.

Deci, când vorbim despre gaze, practic despre gazele reale, vorbim despre particule independente care se mișcă într-una dintr-o parte în alta, foarte agitate și se tot lovesc de pereții vasului în care se află.

Acest lucru este posibil deoarece între moleculele unei substanțe în stare gazoasă, forțele de interacțiune despre care am vorbit acum câteva lecții, sunt slabe.

Deci, particulele de gaz nu au prea multe restricții pentru a se mișca de capul lor, ele nu sunt legate unele de altele.

Ceea ce putem face pentru a înțelege totuși ce se întâmplă cu gazele este să folosim modelul gazului ideal.

În general, cam în felul acesta se procedează.

Pentru a putea descrie anumite procese sau fenomene, oamenii de știință se folosesc de modele ideale.

În cazul gazelor, ne vom folosi de legea gazelor ideale.

Legea gazelor ideale zice că produsul dintre presiune și volum este egal cu produsul dintre numărul de moli, constanta gazelor ideale și temperatură.

Aceasta este o lege pe care trebuie mulți ai să o știm și mai ales pe care trebuie să știm cum să o aplicăm.

Legea gazelor ideale e bazată pe alte două legi.

Prima dintre ele ține cont de faptul că energia moleculelor crește, iar moleculele încep să se agite din ce în ce mai mult pe măsură ce crește temperatura.

Cealaltă lege se referă la faptul că, deși moleculele de gaz ideal se ciocnesc una de alta din când în când, energia pe care o au rămâne aceeași, deci e constantă, iar starea lor rămâne aceeași, adică moleculele nu interacționează între ele.

Ele rămân independente chiar dacă se ciocnesc unele de alte.

Deci când este vorba de un gaz ideal, avem practic cinci proprietăți pe care le luăm în considerare.

Volumul pe care îl notăm cu V și care se măsoară în litri este dimensiunea vasului în care se găsește gazul.

T este temperatura pe care o măsurăm în grad de Celsius sau Kelvin.

Temperatura prezintă cât de cald sau rece este în vas.

Ce trebuie să reținem despre temperatură este că temperatura este strâns legată de mișcarea moleculară.

P este presiunea pe care o măsurăm în atmosfere.

Presiunea adică cât de mult apasă gazul respectiv pe reții vasului în care se ia.

Haideți să ne gândim la un balon umflat și legat.

Balonul conține, bineînțeles, gaz.

Dacă apăsăm balonul, vom simți presiunea gazului apăsând înapoi.

Mai departe, N reprezintă numărul de moli.

N se referă la cantitatea de gaz pe care o poate conține un vas de un anumit volum în anumite condiții de temperatură și presiune.

R reprezintă constanta molară a gazelor ideale.

Pentru unitățile de măsură de mai sus, valoarea lui R este 0.082 litri ori atmosferă supramoli ori Kelvin.

Dar R are și alte valori numerice în funcție de diferitele unități de măsură.

Sunt foarte multe legi ale gazelor pe care le putem învăța,

sau putem învăța pe aceasta și putem să învățăm cum să o aplicăm în diverse situații.

Prima descriere matematică a comportamentului gazelor este legătura dintre presiune și volum.

Haideți să revenim la balonul de mai devreme.

Deci, interiorul balonului nostru este un sistem închis.

Când micșorăm volumul balonului, îl strângem fără să-l deschidem, deci nu iese nimic din balon,

deci când micșorăm volumul unui sistem închis, presiunea din interior crește.

Și dacă am putea cumva să mărim volumul balonului, repet, fără să-l deschidem,

deci dacă mărim volumul sistemului închis, presiunea din interior scade.

Observăm că există o dependență indirectă între acești doi parametri, adică între volum și presiune.

Știind acest lucru, putem aplica relația în problemele de calcul.

Spre exemplu, dacă avem o presiune inițială și un volum inițial și vrem să aflăm care este volumul dacă mărim presiunea,

ne putem folosi de această dependență indirectă.

Să zicem că avem un balon cu volumul de 2 litri la o presiune de o atmosferă.

Și vrem să vedem care va fi volumul dacă creștem presiunea din interior la 1,5 atmosfere,

în timp ce temperatura rămâne aceeași.

Deci știm că dacă presiunea crește, volumul ar trebui să scadă.

Și având valorile inițiale și valoarea finală a presiunii, putem să aflăm volumul final.

Relația de calcul pe care o aplicăm este aceasta.

Produsul dintre presiunea inițială și volumul inițial este egal cu produsul dintre presiunea finală și volumul final.

Deci o atmosferă ori 2 litri este egal cu 1,5 atmosfere ori necunoscuta noastră, adică volumul final.

Și printr-un calcul foarte simplu scoatem relația volumului final.

Deci volumul final este egal cu o atmosferă ori 2 litri supra 1,5 atmosfere.

Efectuând calculul matematic, volumul final este egal cu 1,33 litri.

Între timp ne asigurăm că unitățile de măsură sunt corecte.

Și vedem că volumul, într-adevăr, a scăzut așa cum ne aștepteam, volumul inițial de 2 litri fiind mai mare decât volumul final de 1,33 litri.

Să ne uităm acum la relația dintre volum și temperatură.

Dacă într-un sistem închis menținem presiunea constantă și menținem și același număr de moli, dar mărim temperatura, vom observa că va crește și volumul.

Acest lucru se întâmplă deoarece, pe măsură ce mărim temperatura, moleculele gazului încep să se miște și mai mult, și mai repede, și mai haotic.

Și bineînțeles că pentru asta au nevoie de mai mult spațiu.

Dacă micșorăm temperatura și volumul va scădea pentru că moleculele nu se vor mai mișca atât de mult.

Deci între temperatură și volum există o relație de dependență directă.

La fel se întâmplă și cu relația dintre numărul de moli și volum.

Cu cât intră mai mulți moli de gaz într-un sistem cu temperatură și presiune constante, cu atât mai mult crește volumul.

Practic, dacă știm trei lucruri despre un gaz care se comportă ideal în anumite condiții, folosind această lege, putem afla foarte simplu al patrulea lucru.

Spre exemplu, dacă știm valorile volumului ale numărului de moli și temperaturii, pentru că R este o constantă, putem afla care este valoarea presiunii,

fiindcă din această relație putem foarte simplu să deducem relația de calcul pentru presiune.

Deci, valoarea presiunii este egală cu numărul de moli, ori constanta gazelor ideale, ori temperatura, totul supra volumul.

Sau, dacă am aveat doar valorile presiunii, volumului și temperaturii, am putea afla foarte simplu relația de calcul pentru R,

care este egală cu presiunea, ori volumul, supra constanta gazelor ideale, ori temperatura.

Dar ce trebuie să ținem minte este că această lege o putem aplica numai pentru gazele ideale, adică pentru gazele care au un comportament perfect, ușor de prezis.

Deci, ce este totuși un gaz ideal?

Gazul ideal este un gaz în care moleculele sau particulele componente se mișcă la întâmplare, iar între ele nu există atracție.

Aceste molecule, chiar dacă se lovesc unele de altele, nu interacționează în niciun fel.

Chiar dacă variem temperatura sau presiunea, gazele ideale vor rămâne tot în stare gazoasă.

Dar noi știm că acest lucru nu este valabil pentru gazele reale.

Am discutat chiar în lecția despre forțele intermoleculare mai slabe, despre cum forțele de dispersie London există chiar și în cazul atomilor de gaze nobile,

și despre cum aceste forțe intermoleculare slabe sunt responsabile pentru faptul că, la temperaturi foarte scăzute, gazele nobile există în stare lichidă.

Dar cu gaze nobile în stare lichidă nu prea avem noi contact în fiecare zi, așa că o să vă dau un exemplu care vă e mult mai familiar, și anume condensarea.

Dacă scoateți o sticlă sau un vas rece de la frigider sau de la congelator, veți observa că se formează picături de apă pe exteriorul vasului.

Acest lucru se întâmplă deoarece evaporii de apă din aer iau contact cu vasul rece.

Deci, la scăderea temperaturii, particulele gazoase din aer nu se mai mișcă atât de haotic, ci mișcarea lor încetinește, astfel încât ele au timp să interacționeze prin forțe intermoleculare și să se transforme în lichid.

Deci, ne-am lămurit că între particulele de gaze reale există atracție în anumite condiții de temperatură sau presiune.

Bun, deci am văzut că toate gazele deviază de la legea gazelor ideale la temperaturi scăzute, dar ele mai deviază de la această lege și la presiune ridicată.

Despre asta vom mai vorbi și lecția viitoare.

Așadar, pentru că nu trăim într-o lume ideală unde gazele se se comporte tot timpul conform legii gazelor ideale, lecția viitoare vom vorbi despre legea generală a gazelor.

Am observat noi lecția aceasta și că la nivel molecular, când vorbim de temperatură, e vorba de fapt de energie cinetică, adică de mișcarea moleculelor și nu doar despre noțiunea de rece sau cald.