توصیف رفتار گازها و قوانین گاز ها به زبان ساده
قبل از بررسی رفتار گازها بهتر است بدانید گازها تاثیر شگفتی بر زندگی انسان ها دارند از هوای موجود در اتمسفر زمین که آن را استشمام میکنیم گرفته تا گاز موجود در بسته بندی مواد غذایی برای جلوگیری از فساد آن ها . گاز ها به دلیل ساختار قرارگیری ذرات آن ها ، رفتاری متفاوت با سایر مواد از خود نشان می دهند . به همین علت خواص و قوانین متفاوتی دارند . در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به خواص و قوانین موجود در رفتار گاز ها می پردازیم تا این حالت از ماده را بهتر بشناسیم .
گاز چیست ؟
در میان چهار حالت ماده (جامد ، مایع ، گاز، پلاسما ) کمترین چگالی را دارند . مانند مایعات و پلاسما ، سیال هستند و مقاومت کمتری در برابر جاری شدن (ویسکوزیته) نسبت به بقیه سیالات دارند . وقتی گازی در ظرفی جاری میشود به راحتی به شکل ظرف در می آید و حتی حجم خودش را برای پر کردن ظرف گسترش می دهد . اجزای تشکیل دهنده گاز ها می توانند اتم ها باشند مانند نئون یا از مولکول های دو اتمی مانند اکسیژن باشند یا میتوانند از مولکول هایی که اتم های مختلف دارند مانند بخار آب تشکیل شده باشند . گاز ها تشکیل مخلوط همگن می دهند و برخلاف گروهی از مایعات به راحتی در هم حل می شوند . در میان ذرات گازها نیرو بین ذره ای کمی نسبت به سایر حالت های ماده وجود دارد به همین خاطر حرکات کاتوره ای دارند و در اطراف به سرعت پراکنده می شوند. گاز ها را به دو دسته تقسیم میکنند :
- گاز های ایده آل
- گاز های حقیقی
رفتار گازها – نظریه جنبشی گازها
به کمک این نظریه رفتار گازها که از بررسی مولکول ها در مقیاس ماکروسکوپی به دست آمده ، می توان رفتار گازها را توجیه کرد . این نظریه مهم ترین نظریه ترمودینامیک است . پنج فرض اصلی در نظریه جنبشی گاز ها برقرار است .
- اغلب مولکول ها یا اتم های گازی به صورت کاتوره ای ( رندوم ) یا همان تصادفی در اطراف حرکت می کنند .
- فاصله بین ذرات گازی بسیار زیاد تر از اندازه خود مولکول هاست به همین علت از حجم خود ذرات صرف نظر میکنیم .
- نیروی بین مولکول های گازی آنقدر کم است که از آن صرف نظر می کنیم .
- هر چقدر دمای گاز بالاتر باشد انرژی جنبشی ذرات آن گاز نیز بالاتر است .
- برخورد های ذرات یک گاز به یک دیگر یا به ظرف مورد نظر از نوع برخورد هایی است که باعث تغییر انرژی جنبشی ذرات نمی شود یعنی برخورد از نوع الاستیک است .
تراکم پذیری گاز ها
در نظریه جنبشی گازها گفتیم که فاصله میان ذرات سازنده گازها بسیار زیاد است ، پس وقتی گازها تحت فشار قرار می گیرند ، این ذرات به هم نزدیک می شوند و گاز می توانند متراکم شوند و این در حالی است که با تحت فشار قرار دادن جامد یا مایع تغییری در آن ها ایجاد نمی شود . با وجود این رفتار گازها ، می توان مقدار زیادی از گاز را در فضای کمی جا داد مانند کپسول های غواصی یا کپسول های اکسیژن بیمار ها یا حتی کپسول های اجاق خوراک پزی ها که از گاز پروپانول پر شده اند .
یکی از قوانین گازها است که تراکم پذیری نام دارد و این معیاری است که میزان فشردگی ماده را وقتی به آن فشار وارد می شود اندازه میگیرد . مثلا کپسول های غواصی با فشاری حدود ۲۰۰ تا ۳۰۰ اتمسفر پر شده اند . اگر بخواهید همان مقدار گاز تنفسی را با فشار ۱ اتمسفر داشته باشیم به فضایی حدود ۲۵۰۰ لیتر نیاز داریم .
عوامل موثر بر فشار گاز
وقتی میخواهیم به درستی شرایط و یک گاز را نشان دهیم از (P T V n) استفاده میکنیم . (P T V n ) در واقع چهار مولفه تعریف شده است .
- فشار (P)
- دما (T)
- حجم (V)
- مقدار گاز بر اساس تعداد مول (n)
این را میدانیم که هر چقدر مقدار گاز موجود در یک فضا بیشتر باشد فشار آن گاز بیشتر است . مانند بادکنک که بر اساس فشار گاز می ترکد . همچینی نظریه جنبشی گاز ها نیز می گوید که ذرات حرکات تصادفی دارند و به هم دیگر و دیواره ظرف برخورد می کنند . پس در واقع همین برخورد ها تعیین کننده فشار گاز هستند . رفتار گازها با مقدار فشارشان رابطه مستقیم دارند در ادامه ، مواردی که بر فشار و رفتار گازها تاثیر می گذارد را بررسی می کنیم .
مقدار گاز
وقتی مقدار بیشتری از یک گاز در یک فضای بسته و ثابت مانند توپ وجود دارد ، یعنی تعداد بیشتر از ذرات در آن فضا قرار دارند ؛ پس بدون شک ذرات بیشتر باعث حرکات بیشتر و سپس برخورد های بیشتر می شود و در نهایت فشار گاز بیشتر میشود . در بادکنک ها مقدار بیشتری گاز وارد فضا می کنیم و باعث افزایش فشار درون بادکنک می شویم و در نهایت بادکنک می ترکد .
حجم (V)
اگر مقدار گاز اکسیژن موجود در یک کپسول اکسیژن را درون یک فضای بزرگتر خالی کنیم دیگر آن فشار قبلی را نخواهد داشت .همین طور که اگر همان مقدار گاز را به یک فضای کوچک تر منتقل کنیم به دلیل کاهش حجم گاز فاصله میان ذرات گازی کمتر می شود ، پس تعداد برخورد ها بیشتر می شود . رفتار گاز ها نشان می دهد، کاهش حجم گاز باعث افزایش فشار آن می شود .
دما (T)
اگر یک کنسرو تن ماهی را مدت زمان بیشتری روی حرارت قرار دهیم در نهایت می ترکد ، چرا؟ افزایش دمای گاز درون کنسرو باعث افزایش انرژی جنبشی ذرات گاز میشود . این جنب و جوش زیاد باعث افزایش برخورد اتم ها یا مولکول ها می شود و فشار گاز افزایش می یابد . این رفتار گاز باعث ترکیدن کنسرو می شود . البته وقتی مایع درون یک کنسرو میجوشد نیز بر مقدار گاز درون کنسرو می افزاید که همین افزایش مقدار گاز افزایش فشار را به دنبال دارد .
قوانین گاز ها
دانشمندان فهمیده اند که انواع گازها در شرایط متفاوت شبیه هم رفتار می کنند . در واقع متوجه شدن یک سری روابط خاص بین دما ، حجم و فشار و تعداد مول های یک گاز برقرار است . بر اساس این رفتار گازها ، یک سری قوانینی برای آن ها در نظر گرفته شده است که در سایت جهان شیمی به توضیح این قوانین می پردازیم .
قانون بویل
وقتی بالون های تحقیقاتی به فضای جوی می روند هر چقدر بیشتر ارتفاع می گیرند با کاهش فشار جو مواجه میشوند . این کاهش فشار سبب ترکیدن بالون های تحقیقاتی می شود و دستگاه متصل به آن ها توسط چتر به زمین بازمی گردد . چرا این اتفاق می افتد؟ قانون بویل این موضوع را توجیه میکند . وقتی در دما ثابت ، به جرم ثابتی از یک گاز فشار وارد می کنیم حجم آن کاهش می یابد یا اگر فشار آن را کم کنیم حجم گاز افزایش می یابد به همین علت بالون ها می ترکند . فردی به نام رابرت بویل رابطه و نسبت بین فشار گاز و حجم گاز را کشف کرد . وی فهمید که در گاز ها فشار با حجم ، رابطه معکوس دارد . همچنین اگر در دمای ثابت به مقدار ثابتی از یک گاز فشار دو برابر وارد کنیم ، حجم آن نصف میشود . قانون بویل بیان میکند که همیشه حاصل ضرب فشار یک گاز در حجم آن یک مقدار ثابت است .
P × V = k
زمانی این مقدار ثابت ( k ) تغییر می کند که جرم و دمای گاز تغییر کند . یعنی در شرایطی که دما و جرم گاز ثابت است هر چقدر فشار را تغییر دهیم ، حجم جوری تغییر میکند که (k) مقدار ثابت باقی بماند یا برعکس .
برای مثال مقدار مشخصی از یک گاز ( جرم ثابت ) در کپسولی که ۱ لیتر حجم دارد با فشار ۳۰۰ کیلو پاسکال قرار دارد . حال اگر گاز این کپسول را در همین دما به یک محفظه ۳ لیتری انتقال دهیم ، فشار گاز به ۱۰۰ کیلو پاسکال می رسد و بر اساس قانون بویل حاصل ضرب حجم در فشار مقدار ثابتی است بنابراین حاصل ضرب حجم در فشار در حالت اول برابر حاصل ضرب در حالت دوم است .
P1 V1 = P2 V2
۳۰۰ * ۱ = ۱۰۰ * ۳
قانون شارل
اصل این قانون بر پایه رابطه دما (T) با حجم (V) گاز است . قبلا اشاره کردیم که اگر دمای یک گاز را افزایش دهیم انرژی جنبشی ذرات آن نیز زیاد میشود و همین جنب و جوش بیشتر باعث پراکندگی بیشتر ذرات می شود و در نهایت افزایش حجم را به دنبال دارد . البته باید متوجه باشید ظرف استفاده شده در قانون شارل حتما قابلیت تغییر حجم را دارد .
آقای ژاک شارل که یک فیزیکدان فرانسوی بود که به طور دقیق اثر حرارت بر حجم گاز ها را بررسی کرد و به نتایج جالبی دست یافت . وی متوجه شد اگر به مقدار ثابتی از یک گاز (جرم ثابت) که در فشار ثابتی نیز قرار دارد حرارت دهیم و دمای گاز مورد نظر تغییر می کند به همان نسبت حجم گاز تغییر می کند . در واقع قانون شارل بیان میکند که جرم مشخصی از یک گاز در فشار ثابت همواره نسبت حجم گاز به دمای گاز یک عدد ثابت است . اما برای صحت این موضوع حتما دما باید بر اساس یکای کلوین بیان شود .
به عنوان مثال اگر گازی که در دمای صفر درجه سانتی گراد (۲۷۳ کلوین) حدود ۴۰۰ سانتی متر مکعب حجم دارد را بدون آن که مقدار یا فشار آن را تغییر دهیم ، به ۸۰ درجه سانتی گراد (۳۵۳ کلوین) برسانیم . با یک تناسب ساده بر اساس قانون شارل می فهمیم که حجم گاز به ۵۱۷.۲۱ سانتی متر مکعب می رسد .
قانون گیلوساک
این قانون به رابطه بین فشار و دمای مطلق یک گاز می پردازد . در حالی که محفظه مورد استفاده در قانون گیلوساک برخلاف قانون شارل نمی تواند تغییر حجم بدهد پس زمانی که به یک مقدار گاز ثابت در این محفظه حرارت بدهیم رفتار گاز نشان می دهد که به علت برخورد های فراوان ذرات ، فشار گاز بالا میرود .
کسی که این قانون را کشف کرد فردی به نام ژوزف گیلوساک نام داشت این شیمیدان فرانسوی با بررسی دقیق اثر حرارت بر فشار یک گاز متوجه شد که یک جرم ثابت از گاز که حجم ثابتی نیز دارد هر چقدر دمای گاز بر حسب کلوین بالاتر برود فشار هم به همان نسبت تغییر می کند . قانون گیلوساک بیان میکند که در جرم و حجم ثابت یک گاز همواره نسبت فشار به دمای مطلق (کلوین) یک عدد ثابت است .
برای مثال در اگر یک کپسول گاز با جرم و حجم ثابت در حالی که در دمای ۱۰ درجه سانتی گراد (۲۸۳ کلوین) فشاری در حدود ۷۰۰ میلیمتر جیوه دارد اگر دما را به ۶۰ درجه سانتی گراد ( ۳۳۳ کلوین) برسانیم ، فکر میکنید فشار گاز چقدر میشود ؟ درست است با یک تناسب ساده می فهمیم که فشار گاز به ۸۲۳.۶۷ میلیمتر جیوه میرسد .
قانون ترکیبی گاز ها
اگر در شرایطی باشیم که هر سه مشخصه یک گاز یعنی فشار و حجم و دمای مطلق آن تغییر کند به قانون ترکیبی گاز ها نیاز داریم . رفتار گاز ها نشان می دهد که تغییر هر کدام از این مولفه ها بر دو تای دیگر اثر میگذارد. طبق این قانون تنها مشخصه ثابت مقدار گاز است .
برای مثال اگر جرم ثابتی از یگ گاز در دمای ۲۰۰ کلوین با فشار ۳۰ کیلوپاسکال حجمی حدود ۳ لیتر داشته باشد وقتی دما به ۱۰۰ کلوین تغییر کند و فشار به ۲۵ کیلو پاسکال تغییر می کند حدس میزنید حجم گاز چقدر خواهد شد ؟ به راحتی با یک تناسب ساده بر اساس قانون ترکیبی گاز ها می توان حجم گاز را بدست آورد . حجم گاز چیزی حدود ۱.۸ لیتر خواهد بود .
قانون آووگادرو
اگر به یاد داشته باشید در ابتدا به چهار مولفه ای که رفتار گاز ها را با آن ها بررسی میکنیم اشاره کردیم . یکی از این مولفه ها تعداد مول های آن (n) بود . بر طبق قانون آووگادرو ؛ حجم یک گاز با تعداد مول های آن برابر است اما به شرطی که دما و فشار ثابت باشد . در شرایط دما و فشار استاندارد ، یک مول گاز چیزی حدود ۲۲.۴ لیتر حجم دارد ، که به حجم مولی معروف است .
V = k n
قانون گاز های کامل (ایده آل)
در قانون های قبلی فقط ۲ یا ۳ تا از مولفه های شناسایی رفتار گاز ها تغییر می کرد . ولی اگر هر چهار مولفه تغییر کند از این قانون کمک می گیریم . با کنار هم قرار دادن قانون ترکیبی گاز ها و قانون آووگادرو قانون گاز های کامل به دست می آید. در قانون ترکیبی گاز ها گفته شد که فشار یک گاز با حجم رابطه مستقیم و با دمای مطلق رابطه عکس دارد . همچنین در قانون آووگادرو نیز بیان شد که رابطه مستقیمی بین تعداد مول ها و حجم گاز برقرار است . بنابراین قانون گاز های کامل نشان می دهد که حاصل ضرب فشار در حجم یک گاز با حاصل ضرب تعداد مول ها در دما همچنین ثابت گاز کامل برابر است .
در رابطه زیر R ثابت گازهای ایده آل است .
PV = RTn
گاز کامل یا ایده آل
گازی که از قانون گاز های ایده آل و نظریه جنبشی گازها به طور کامل در هر شرایط دمایی و فشاری پیروی کند گاز کامل است . یکی از بند های نظریه جنبشی گازها این بود که ذرات گازی حجمی ندارند و نیروی جاذبه ای هم بین آن ها برقرار نیست . اما می دانیم که در زندگی حقیقی و واقعی چنین گاز وجود ندارد . پس گاز های حقیقی چه گازهایی هستند ؟
گاز های حقیقی
وقتی گاز ایده آل وجود خارجی ندارد از مفهوم گاز های حقیقی استفاده می شود . گازهای حقیقی از نظریه جنبشی گاز ها پیروی نمی کنند اما در حالی که در شرایط خاص آزمایشگاهی که فشار و دما کنترل شده دارد ، رفتاری مشابه گاز های کامل دارند . تفاوت بین گاز حقیقی با گاز ایده آل در این است که در شرایط محیطی و اتفاقاتی که برای این گاز می افتد از رفتار گازی ایده آل فاصله میگیرند.
مانند وقتی که گازها تحت فشار زیادی قرار دارند ، فاصله بین ذرات بسیار کم میشود در این حالت نمی توان از جاذبه بین ذرات صرف نظر کرد و یا در شرایطی که دمای گاز به شدت پایین بیاید و گاز سرد شود انرژی جنبشی ذرات بسیار کاهش یافته و وقتی حرکات ذرات اهسته تر می شود نیروی جاذبه بین ها اندازه ای قابل توجه ای دارد . پس گاز های حقیقی در دمای بسیار پایین و فشار زیاد ، ایده آل رفتار نمی کنند . گازهای واقعی و حقیقی که در زندگی اطراف ما وجود دارند ، اگر در دماهای بالا و فشارهای پایین قرار بگیرند را می توان گاز ایده‌آل فرض کرد .
