ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ

Η ΠΙΕΣΗ

 Στην παράγραφο αυτή θα μελετήσουμε τις ιδιότητες των αερίων με τη βοήθεια της κινητικής θεωρίας της ύλης.Το μεγάλο κενό μεταξύ των μορίων είναι αναμενόμενο διότι η εμπειρία δείχνει ότι τα αέρια συμπιέζονται πολύ εύκολα.Η εμπειρία μας αυτή εναρμονίζεται με τα πειραματικά ευρήματα σύμφωνα με τα οποία ο ατμοσφαιρικός αέρας μπορεί να συμπιεστεί.Με κατάλληλες διατάξεις ο αέρας μπορεί να συμπιεστεί στο 1/800 του αρχικού του όγκου προκειμένου να αποκτήσει συμπεριφορά υγρού.

α) Φαίνεται ένας κύλινδρος που περιέχει ένα αέριο αεροστεγώς κλεισμένο με έμβολο βάρους Β.Το έμβολο μπορεί να κινείται χωρίς τριβές.
β) Έχει αναπαρασταθεί σε μεγέθυνση μέρος του αερίου της εικόνας α.Στην αναπαράσταση αυτή τα μόρια του αερίου συμβολίζονται με μπλε σφαιρίδια

 Παρατηρούμε ότι παρά το μεγάλο κενό μεταξύ των μορίων,το αέριο που υπάρχει στον κύλινδρο "σηκώνει" το βάρος του εμβόλου.Θα μας ήταν εύκολο να κατανοήσουμε αυτό που συμβαίνει,αν το βάρος του εμβόλου υποστηριζόταν από κάποιο υγρό,που είναι πρακτικά ασυμπίεστο,επειδή τα μόρια του είναι σε επαφή μεταξύ τους.Πώς όμως μπορεί να στηρίξει ένα τόσο αραιό σώμα,όπως ο αέρας,το βάρος του εμβόλου;

Ο ατμοσφαιρικός αέρας και γενικά όλα τα αέρια είναι συμπιεστά

 Ας θεωρήσουμε ένα μόριο του αερίου το οποίο κινείται προς την επιφάνεια του εμβόλου και ανακλάται στην αντίθετη κατεύθυνση.Αν σκεφτούμε ότι ακόμα και μια ελάχιστη ποσότητα αερίου π.χ. όση περιέχεται στο χώρο που καταλαμβάνει η κεφαλή μιας καρφίτσας, περιέχει 10¹⁷ μόρια, (δηλαδή 100.000 τρισεκατομμύρια) ο αριθμός των μορίων στον κύλινδροείναι ασύλληπτα μεγάλος.Τα μόρια που υπάρχουν στο δοχείο συγκρούονται μεταξύ τους καθώς επίσης και με τα τοιχώματα του δοχείου.Συνεπώς κάθε χρονική στιγμή ένας αριθμός από το τεράστιο πλήθος των μορίων συγκρούεται με το έμβολο.

Η δύναμη F από το έμβολο είναι αυτή που προκάλεσε την αλλαγή της ορμής του μορίου,ενώ στο έμβολο ασκήθηκε από το μόριο η δύναμη F′

 Η συνισταμένη όλων των δυνάμεων που ασκούν τα μόρια στο έμβολο,είναι υπεύθυνη για τη στήριξη του εμβόλου.Τι άραγε θα συμβεί αν τοποθετήσουμε ένα σώμα βάρους Β πάνω στο έμβολο και αυξηθεί η πίεση που ασκείται στο αέριο;Αν πραγματοποιήσουμε το πείραμα θα διαπιστώσουμε ότι:

α) ο όγκος του αερίου γίνεται μικρότερος,

β) το έμβολο ισορροπεί πάλι.

 Συνεπώς,η συνισταμένη των δυνάμεων που ασκούν τα μόρια στο έμβολο,συνολικά,εξισορροπεί την αυξημένη δύναμη που ωθεί το έμβολο προς τα κάτω.Αυτό μπορεί να εξηγηθεί ως εξής:
 Επειδή μειώθηκε ο όγκος του αερίου μίκρυναν οι διαδρομές που διανύουν τα μόρια μεταξύ δυο διαδοχικών συγκρούσεων με το έμβολο.Έτσι οι συγκρούσεις έγιναν συχνότερες και η συνισταμένη των δυνάμεων που ασκείται στο έμβολο έγινε μεγαλύτερη.

Το έμβολο ισορροπεί πάλι

 Η ιδιότητα των αερίων να ασκούν δυνάμεις στα τοιχώματα των δοχείων που τα περιέχουν περιγράφεται με την έννοια της πίεσης.

 Όπως γνωρίζουμε η πίεση,Ρ,ορίζεται από το πηλίκο της κάθετης δύναμης F,που ασκείται σε μια επιφάνεια, προς το εμβαδόν S της επιφάνειας αυτής.
 Δηλαδή:

                                                                              P=F/S

 Στα παραδείγματα που εξετάσαμε η πίεση που ασκεί το αέριο στο έμβολο είναι:

                                                                              P=Patm+B/S

όπου:
Βολ το βάρος του σώματος και του εμβόλου, 
S το εμβαδόν του εμβόλου και 
Patm η ατμοσφαιρική πίεση.

 Πρέπει να τονίσουμε ότι λόγω της τυχαίας κίνησης των μορίων προς κάθε κατεύθυνση,η πίεση στο έμβολο είναι ίση με την πίεση στα τοιχώματα του κυλίνδρου και είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός των κρούσεων.

Η ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

 Στο παρακάτω σχήμα είναι ένα κλειστό δοχείο μέσα στο οποίο υπάρχει αέριο.Το δοχείο είναι εφοδιασμένο με μανόμετρο Μ,που μετράει την πίεση και με θερμόμετρο Θ που μετράει τη θερμοκρασία.

Ένα κλειστό δοχείο μέσα στο οποίο υπάρχει αέριο

 Τι θα παρατηρήσουμε αν θερμάνουμε το αέριο και αυξηθεί η θερμοκρασία του;

 Το πείραμα δείχνει ότι αυξάνεται η ένδειξη του μανόμετρου δηλαδή η πίεση του αερίου.Πώς μπορεί να ερμηνευθεί αυτή η μεταβολή με δεδομένο ότι ο όγκος του αερίου έμεινε πρακτικά αμετάβλητος;

 Σύμφωνα με όσα αναφέραμε προηγουμένως για την ερμηνεία της πίεσης στα αέρια,είναι λογικό να δεχθούμε ότι αυξήθηκε η ταχύτητα των μορίων.Κατά συνέπεια,η έννοια της θερμοκρασίας είναι συνυφασμένη με την ταχύτητα των μορίων.

 Έτσι η αύξηση της θερμοκρασίας σχετίζεται με την αύξηση της ταχύτητας των μορίων. 
 Το λογικό αυτό συμπέρασμα ελέγχθηκε πειραματικά και βρέθηκε ότι είναι σωστό και ισχύει εκτός από τα αέρια στα υγρά και στα στερεά ανεξάρτητα από το είδος των σωματιδίων που αυτά αποτελούνται, δηλαδή άτομα,ιόντα ή μόρια.

Το δοχείο 1 περιέχει κρύο νερό και το δοχείο 2 ζεστό (δηλαδή θ1<θ2).Τα μόρια του νερού απεικονίζονται με σφαιρίδια και οι ταχύτητες τους με βέλη.Στο ζεστό νερό τα μόρια κινούνται με μεγαλύτερες ταχύτητες,οι οποίες παριστάνονται με βέλη μεγαλύτερου μήκους

 Ο προσδιορισμός της σχέσης μεταξύ θερμοκρασίας και κίνησης των σωματίων από τα οποία αποτελούνται τα υλικά σώματα αποτέλεσε σημαντικό σταθμό στην ιστορία της Φυσικής.