Plin ili gas je jedno od četri agregatna stanja tvari, sastavljene od čestica bez određenog oblika ili zapremine koje su manje ili više u nepravilnom kretanju. U takvom stanju, molekule tvari imaju dovoljnu unutrašnju energiju da se oslobode iz stabilne strukture. Temperatura pri kojoj tvar prelazi u plinovito stanje naziva se vrelište. Osnovna osobina supstance u plinovitom agregatnom stanju je slobodno kretanje čestica supstance (atomi, molekule) u prostoru koji supstanca zauzima. Taj prostor ima mnogo veću zapreminu nego što je ukupna zapremina čestica plina, zbog čega plinovi pokazuju osobinu stišljivosti - lakog smanjenja zapremine. Slobodno kretanje čestica gasa ukazuje na odsustvo privlačnih sila među česticama plina. Sudari čestica gasa sa zidovima prostora u kojem se gas nalazi stvaraju pritisak plina.
Čisti plin može se sastojati od pojedinačnih atoma (npr. plemeniti plin poput neona), elementarnih molekula napravljenih od jedne vrste atoma (npr. kisik) ili složenih molekula napravljenih od različitih atoma (npr. ugljen dioksid). Mješavina plinova, kao što je zrak, sadrži razne čiste plinove. Ono što razlikuje gas od tečnosti i čvrstih materija je velika odvojenost pojedinačnih gasnih čestica. Ovo razdvajanje obično čini bezbojni gas nevidljivim ljudskom posmatraču.
Gasovito stanje materije javlja se između stanja tečnosti i plazme, od kojih potonje predstavlja gornju temperaturnu granicu za gasove. Na donjem kraju temperaturne skale leže degenerativni kvantni gasovi[1] koji dobijaju sve veću pažnju.[2] Atomski gasovi visoke gustine superohlađeni na veoma niske temperature klasifikuju se prema svom statističkom ponašanju ili kao Bose gasovi ili Fermi gasovi.
Fizičke karakteristike
Obzirom da je većinu gasova teško direktno posmatrati, oni su opisani korištenjem četiri fizička svojstva ili makroskopske karakteristike: pritisak, zapremina, broj čestica (hemičari ih grupišu po molovima) i temperatura. Ove četiri karakteristike su više puta promatrali naučnici kao što su Robert Boyle, Jacques Charles, John Dalton, Joseph Gay-Lussac i Amedeo Avogadro za razne plinove u različitim okruženjima. Njihove detaljne studije su na kraju dovele do matematičke veze između ovih svojstava izraženih zakonom idealnog gasa.
Čestice plina su široko odvojene jedna od druge, te stoga imaju slabije međumolekularne veze od tekućina ili čvrstih tvari. Ove intermolekularne sile su rezultat elektrostatičkih interakcija između čestica plina. Jednako naelektrisane oblasti različitih gasnih čestica se odbijaju, dok suprotno naelektrisane oblasti različitih gasnih čestica privlače jedna drugu; plinovi koji sadrže trajno nabijene jone poznati su kao plazme. Gasovita jedinjenja sa polarnim kovalentnim vezama posjeduju trajne neravnoteže naboja i tako doživljavaju relativno jake intermolekularne sile, iako molekulrni neto naboj jedinjenja ostaje neutralan. Prolazni, nasumično inducirani naboji postoje preko nepolarnih kovalentnih veza molekula i elektrostatičke interakcije uzrokovane njima nazivaju se Van der Waalsovim silama. Interakcija ovih intermolekularnih sila varira unutar supstance koja određuje mnoga fizička svojstva jedinstvena za svaki gas.[[3][4] Poređenje tačaka ključanja jedinjenja formiranih ionskom i kovalentnom vezom dovodi nas do ovog zaključka.[5] Lebdeće čestice dima na slici pružaju uvid u ponašanje gasa niskog pritiska.
U poređenju sa drugim agregatnim stanjima, gasovi imaju nisku gustinu i viskoznost. Pritisak i temperatura utiču na čestice unutar određene zapremine. Ova varijacija u razdvajanju čestica i brzini se naziva kompresibilnost. Ovo razdvajanje i veličina čestica utječu na optička svojstva plinova kao što se može naći u sljedećoj listi indeksa prelamanja. Konačno, čestice plina se šire ili difundiraju kako bi se homogeno rasporedile po bilo kojem spremniku.
Makroskopski pogled na gasove
Kada se posmatra gas, potrebno je prvo odrediti referentni okvir ili skalu dužine. Veća skala dužine odgovara makroskopskoj ili globalnoj tački gledišta gasa. Ovo područje (koji se naziva volumen) mora biti dovoljne veličine da sadrži veliki uzorak čestica plina. Rezultirajuća stqatistička analiza ove veličine uzorka daje "prosječno" ponašanje (tj. brzinu, temperaturu ili pritisak) svih čestica plina unutar regije. Nasuprot tome, manja skala dužine odgovara mikroskopskoj ili tački gledišta čestica.
Makroskopski, mjerene karakteristike gasa su u smislu samih čestica gasa (brzina, pritisak ili temperatura) ili njihove okoline (zapremina). Na primjer, Robert Boyle je studirao pneumatsku hemiju u malom dijelu svoje karijere. Jedan od njegovih eksperimenata odnosio se na makroskopska svojstva pritiska i zapremine gasa. U svom eksperimentu koristio je manometar s J-cijevi koji izgleda kao epruveta u obliku slova J. Boyle je zarobio inertni plin u zatvoreni kraj epruvete sa stupcem žive, čime je napravio broj čestica i temperaturu konstantnim. On je primjetio da kada se poveća pritisak u gasu, dodavanjem više žive u kolonu, zapremina zarobljenog gasa se smanjuje (ovo je poznato kao inverzna veza). Nadalje, kada je Boyle pomnožio pritisak i zapreminu svakog posmatranja, proizvod je bio konstantan. Ovaj odnos važi za svaki gas koji je Boyle uočio da vodi ka zakonu, (PV=k), nazvan u čast njegovog rada na ovom polju.
Postoje mnogi matematički alati dostupni za analizu svojstava gasa. Kako su gasovi podvrgnuti ekstremnim uslovima, ovi alati postaju složeniji, od Eulerovih jednačina za neviscidno strujanje do Navier-Stokesovih jednačina[6] koje u potpunosti uzimaju u obzir viskozne efekte. Ove jednačine su prilagođene uslovima datog gasnog sistema. Boyleova laboratorijska oprema omogućila je korištenje algebre za dobijanje rezultata. Njegovi rezultati su bili mogući jer je proučavao gasove u situacijama relativno niskog pritiska gde su se ponašali na "idealan" način. Ovi idealni odnosi se primjenjuju na sigurnosne proračune za različite uslove leta na materijalima koji se koriste. Oprema visoke tehnologije koja se danas koristi dizajnirana je da nam pomogne bezbjedno istražiti egzotičnija radna okruženja u kojima se gasovi više ne ponašaju na "idealan" način. Ova napredna matematika, uključujući statistiku i multivarijabilni račun, omogućava rješenje za tako složene dinamičke situacije poput ponovnog ulaska svemirskog vozila. Primjer je analiza ponovnog ulaska spejs šatla kako bi se osiguralo da su svojstva materijala pod ovim uslovima opterećenja odgovarajuća. U ovom režimu leta, gas se više ne ponaša idealno.
Reference
Također pogledajte
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
