Gas

De Viquipèdia

A la fase gasosa les partícules d'una substància (àtoms, molècules, o ions) es poden moure lliurement en qualsevol direcció.

Un gas és un estat de la matèria en què les forces interatòmiques o intermoleculars entre els diferents àtoms o molècules d'una substància són tan petites que la substància no adopta ni forma ni volum fix, tendint a expandir-se tant com sigui possible per ocupar el recipient que el conté.A la pràctica, un gas pot ser definit com un fluid no condensable a temperatura ambient.

Per extensió, les substàncies que es troben a una temperatura superior a la seva temperatura crítica són gasos, un exemple en seria el vapor d'aigua, caracteritzat per una temperatura superior a l'ambiental (374 ºC), serà un gas quan se superi aquesta temperatura, dita crítica.

El nom ve de la pronunciació neerlandesa del mot grec "caos", que s'usava des del segle XVI per referir-se a l'aire, el químic flamenc Jan Baptista van Helmont va proposar la seva utilització aplicada al gasos al segle XVII.

A nivell microscòpic un gas es caracteritza perquè les seues partícules estan molt separades i la interacció entre elles és molt baixa.

Una substància gasosa pot liquar-se per refredament o per compressió, fins a una certa temperatura anomenada temperatura crítica, a partir de la qual obtindríem un fluid supercrític.

[edita] Lleis dels gasos

L'estat d'un gas està determinat per tres propietats: la seva pressió, el seu volum i la seva temperatura. Aquestes propietats estan relacionades de manera que imposant-ne dues la tercera queda determinada, la equació que les relaciona s'anomena equació d'estat o llei del gas i existeixen diferents models (aproximacions) que s'utilitzen habitualment.

En una primera aproximació, els gasos compleixen la llei dels gasos ideals: PV=nRT essent P la pressió, V el volum que ocupa el gas, n el nombre de mols de gas i T la temperatura donada en kelvin i R una constant (Constant dels gasos) que dependrà de les unitats que estem utilitzant. Els valors més habituals de R són 0,082 atm·L/mol·K i 8.314 J/mol·K.

La llei dels gasos ideals prediu que una quantitat donada de gas ocupara un volum cada vegada més gran, a mida que es redueix la pressió. Però, en realitat, els gasos reals no s'expandeixen infinitament, sinó que arribaria un moment en el qual no ocuparien més volum. Això és a causa que entre els seus àtoms o molècules s'estableixen unes forces bastant petites, degut als canvis aleatoris de les seves càrregues electrostàtiques, a les qual se'ls anomena forces de Van der Waals.

Aquestes forces d'atracció i altres aspectes, com el vòlum que ocupa la pròpia molècula o àtom, es tenen en compte en models millorats de gasos. Un exemple és l'equació del gas de Van der Waals: , on s'afegeixen els paramètres a i b que són propis de cada gas. El paràmetre b és una estimació del vòlum d'un mol de partícules (en l'estat més comprimit possible).

[edita] Propietats físiques

Degut a la naturalesa electrònica de les partícules hi ha un camp de força al seu voltant, les interaccions entre aquests camps de força son conegudes amb el terme de forces intermoleculars. Aquestes forces intermoleculars influencien el moviment de les partícules en funció de la distància, i en conseqüència afecten les seves propietats termodinàmiques. A la temperatura i pressió característiques de moltes aplicacions, aquestes partícules són habitualment molt separades i aquesta separació es correspon a una força atractiva molt petita, de manera que la força intermolecular esdevé negligible per a moltes d'aquestes aplicacions.

Un gas també presenta les següents característiques:

• Baixa densitat i viscositat relatives comparades amb els estats sòlid i líquid.
• Es poden expandir i contraure molt amb els canvis de temperatura o de pressió, d'aquí que s'els apliqui el terme “compressibles.
• Es poden difondre fàcilment, separant-se per tal d'ocupar de manera homogènia qualsevol contenidor.
• La solubilitat d'un gas en un líquid, a l'inrevés que la d'un sòlid, augmenta amb la temperatura.

[edita] Comportament a escala macroscòpica

Quan s'analitza un sistema, és habitual especificar una escala de longitud. Una escala de longitud més llarga pot correspondre a una visió macroscòpica del sistema, mentre que una escala de longitud més curta correspon a una visió microscòpica.

A escala macroscòpica, les quantitats que es mesuren són en termes dels efectes a gran escala que té el gas sobre un sistema o el seu medi, com ara la velocitat, la pressió o la temperatura. Equacions matemàtiques, com ara les equacions hidrodinàmiques esteses, les equacions de Navier-Stoker i les equacions d'Euler, han estat desenvolupades per intentar modelar les relacions de la pressió, la densitat, la temperatura i la velocitat d'un gas en moviment.

[edita] Pressió

Article principal: Pressió

La pressió que exerceix un gas uniformement a través de la superfície d'un contenidor es pot descriure mitjançant teoria cinètica simple. Les partícules d'un gas es mouen contínuament en direccions aleatòries i sovint col·lideixen amb les parets del contenidor i/o entre elles. Totes aquestes partícules presenten les magnituds físiques de massa, moment i energia, que han de ser conservades. En la mecànica clàssica, el moment és, per definició, el producte de la massa i la velocitat. L'energia cinètica és la meitat de la massa multiplicada per la velocitat al quadrat. La suma de tots els components normals de la forca exercida per les partícules que impacten a les parets del contenidor dividida per l'àrea de les parets és definida com la pressió. Aleshores, es pot dir que la pressió és el moment lineal mitjà d'aquestes partícules en moviment. Un error comú és creure que les col·lisions de les molècules entre elles són essencials per explicar la pressió d'un gas, però en realitat la seva velocitat aleatòria és suficient per definir aquesta quantitat.

[edita] Temperatura

Article principal: Temperatura termodinàmica

La temperatura de qualsevol sistema físic és el resultat dels moviments de les molècules i els àtoms que el componen. En la mecànica estadística, la temperatura és el mesurament de l'energia cinètica mitjana emmagatzemada dins d'una partícula. Els mètodes d'emmagatzemament d'aquesta energia són dictats pels graus de llibertat de la partícula en si (modes d'energia). Aquestes partícules tenen una sèrie de velocitats diferents, i la velocitat de qualsevol partícula determinada canvia contínuament degut a col·lisions amb altres partícules. La variació en velocitat se sol descriure amb la distribució de Maxwell-Boltzmann.

[edita] Volum específic

Article principal: Volum específic

Quan es duu a terme una anàlisi termodinàmica, és habitual parlar de les propietats intensives i extensives. Les propietats que depenen de la quantitat de gas són les propietats "extensives", mentre que les que no en depenen són les propietats "intensives". El volum específic es un exemple d'una propietat intensiva, car és el volum ocupat per una unitat de massa d'un material, cosa que vol dir que el volum ha estat dividit per la massa per tal d'obtenir una quantitat en termes de, per exemple,. Cal destacar que la diferència entre volum i volum específic és que la quantitat específica és independent de la massa.

[edita] Densitat

Article principal: Densitat

Com que les molècules tenen un moviment lliure dins d'un gas, la massa del gas se sol determinar mitjançant la seva densitat. La densitat és la massa d'una substància dividida pel volum o, més simplement, l'invers del volum específic. Pels gasos, aquesta densitat pot variar significativament perquè les molècules tenen moviment lliure. Macroscòpicament, la densitat és una variable d'estat d'un gas i el canvi de densitat durant qualsevol procés és regit per les lleis de la termodinàmica. Com que hi ha moltes partícules en un moviment completament aleatori, per un gas estàtic, la densitat és igual a tot el contenidor. Per tant, la densitat és una magnitud escalar; és una quantitat física simple que té una magnitud però que no té cap direcció associada. Es pot mostrar per la teoria cinètica que la densitat és proporcional a la mida del contenir en què es troba una massa fixa de gas.

[edita] Bibliografia complementària

• John D. Anderson. Modern Compressible Flow: Third Edition Nova York, NY : McGraw-Hill, 2004. ISBN 007-124136-1
• Philip Hill and Carl Peterson. Mechanics and Thermodynamics of Propulsion: Second Edition Addison-Wesley, 1992. ISBN 0-201-14659-2
• John D. Anderson. Fundamentals of Aerodynamics: Fourth Edition Nova York, NY : McGraw-Hill, 2007. ISBN 978-0-07-295046-5 ISBN 0-07-295046-3
• National Aeronautics and Space Administration (NASA). Animated Gas Lab. (anglès) Consultat el febrer del 2008.
• Georgia State University. HyperPhysics. (anglès) Consultat el febrer del 2008.
• Antony Lewis WordWeb. (anglès) Consultat el febrer del 2008.
• Northwestern Michigan College The Gaseous State. (anglès) Consultat el febrer del 2008.

...