Gas

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 nivell microscòpic un gas es caracteritza pel fet que 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. Per sobre de la temperatura crítica, si comprimim un gas obtindrem un fluid supercrític i no un líquid.

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

Propietats físiques miniatura|A la fase gasosa les partícules d'una substància (àtoms, molècules, o ions) es poden moure lliurement en qualsevol direcció. miniatura|El comportament erràtic de les partícules de fum aporta pistes sobre el moviment del gas que les envolta. La majoria dels gasos són difícils d'observar amb els nostres ulls, només els podem descriure a partir de propietats físiques o característiques a nivell macroscòpic: la seva pressió, el volum, el nombre de partícules (agrupades en mols pels químics) i la temperatura. Aquestes quatre característiques van ser repetidament observades per científics com Robert Boyle, Jacques Charles, John Dalton, Joseph-Louis Gay-Lussac i Amedeo Avogadro per a molts gasos i en diferents condicions. Els seus detallats estudis van portar a trobar una relació matemàtica entre aquestes quatre propietats que s'expressa per mitjà de la llei dels gasos ideals (vegeu més avall).

Les partícules que formen el gas es troben àmpliament separades les unes de les altres i, per tant, la influència d'una partícula sobre les adjacents no serà la mateixa que la que trobem en el cas dels sòlids o els líquids. Degut a la naturalesa electromagnètica de les partícules hi ha un camp de força al seu voltant, les interaccions entre aquests camps de força són conegudes amb el terme de forces intermoleculars. En tant que càrregues, les que tenen el mateix signe es repel·leixen i les que són de diferent signe s'atreuen. Els gasos formats per ions porten una càrrega elèctrica permanent i formen molècules polars amb enllaços covalents. Aquests enllaços produeixen una concentració permanent de la càrrega a les molècules, mentre que als compostos la càrrega neta és nul·la, les càrregues transitòries existeixen als enllaços covalents de les molècules i són conegudes com les forces de van der Waals. 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, les 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. La interacció de les forces intermoleculars varia en funció del gas i influeix en les seves propietats físiques característiques.Concept Development Studies in Chemistry, John S. Hutchinson. (2008).

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 se'ls 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, disminueix amb la temperatura.

Comportament a escala macroscòpica Quan s'analitza un sistema gasós, és habitual especificar un marc de referència o escala de longitud. Una escala de longitud gran pot correspondre a una visió macroscòpica del sistema, mentre que una escala de longitud més petita correspon a una visió microscòpica. El sistema ha de ser prou gran (en volum) com per contenir un nombre prou gran de partícules, de manera que l'anàlisi estadística resultant ens ofereixi uns resultats que concordin amb el comportament mitjà del sistema, parlem de la velocitat, la temperatura o la pressió de les partícules del sistema.

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 per exemple la velocitat, la pressió o la temperatura. Hi ha moltes eines matemàtiques per analitzar les propietats d'un gas, però quan les condicions són més extremes les eines esdevenen molt més complexes. Equacions matemàtiques, com per exemple 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.John D. Anderson's Fundamentals of Aerodynamics (1984). Boyle va poder arribar a les seves conclusions només amb l'ajuda de l'àlgebra perquè va estudiar els gasos a pressions relativament baixes, dintre dels límits on el seu comportament és ideal. Però avui dia l'alta tecnologia ens ofereix eines que ens permeten explorar el comportament de sistemes de gasos que no es comporten de manera ideal. Eines com l'estadística o el càlcul multivariable fan possible la solució a les complexes situacions dinàmiques com podrien ser les de la reentrada a l'atmosfera d'un vehicle espacial, on el comportament dels gasos no segueix el model ideal i on cal assegurar-se que les condicions no afectaran les propietats del material de la nau.

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.

Temperatura

La velocitat de les partícules d'un gas és proporcional a la seva temperatura termodinàmica. La temperatura de qualsevol sistema físic és el resultat del moviment de les seves partícules, les molècules i els àtoms que el componen. En la mecànica estadística, la temperatura és la mesura de l'energia cinètica mitjana emmagatzemada a una partícula. Els mètodes d'emmagatzemament d'aquesta energia són dictats pels graus de llibertat de la partícula en si (modes d'energia). L'energia cinètica afegida a les partícules d'un gas a conseqüència de processos endotèrmics també produeix moviment lineal, rotacional o vibratori, en canvi, en els sòlids només pot tenir com a conseqüència l'augment de la vibració de les molècules atès que l'estructura cristal·lina evita els moviments lineals o rotatoris. A un gas escalfat les partícules tenen una variació de la velocitat més gran i aquesta canvia contínuament degut a les col·lisions amb altres partícules. La variació en velocitat se sol descriure amb la distribució de Maxwell-Boltzmann. La utilització d'aquesta distribució implica gasos ideals a prop de l'equilibri termodinàmic per al sistema de partícules considerat.

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 és 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.

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.

Comportament a escala microscòpica Si fos possible observar un gas a través d'un microscopi prou potent com per veure les partícules que el formen (molècules, àtoms, ions), les veuríem movent-se d'una manera més o menys aleatòria. Aquestes partícules que formen el gas només canvien la direcció del seu moviment quan col·lideixen amb una altra partícula o contra les parets del contenidor. Si considerem que aquestes col·lisions són perfectament elàstiques, podrem considerar la substància com un gas ideal. El comportament de les partícules a nivell microscòpic és descrit per la teoria cinètica molecular dels gasos.

Teoria cinètica molecular

La teoria cinètica molecular explica el comportament i les propietats macroscòpiques dels gasos a partir d'una descripció de la seva composició i del moviment de les partícules a nivell microscòpic. Aquesta teoria es basa en una sèrie de postulats, com per exemple: 1) La matèria està constituïda per partícules,; 2) Les partícules exerceixen entre si forces d'atracció que les mantenen unides; 3) Les partícules són en moviment constant. En funció dels postulats que considerem la teoria serà més o menys complexa, en la seva expressió més simple permet arribar a la llei d'Avogadro o llei dels gasos perfectes.

La teoria explica com responen els sistemes gasosos als canvis, per exemple, si escalfem un gas, la seva energia interna (la seva temperatura) s'incrementarà. A mesura que s'escalfa el gas observarem que les seves partícules també aniran incrementant la seva velocitat. Si observem la pressió, constatarem que amb el gas escalfat ha augmentat el nombre de col·lisions amb les parets del contenidor a causa de l'increment de la velocitat de les partícules a causa de l'augment de la temperatura, a mesura que el nombre de col·lisions contra les parets del contenidor augmenten per unitat de temps la pressió s'incrementa de manera proporcional.

Moviment brownià