Fysiikka 2: luku 4 Kaasut

Ideaalikaasu on malli kaasuille. Todellista kaasua kutsutaan reaalikaasuksi. Ideaalikaasuille voidaan johtaa yleinen tilanyhtälö. Ideaalikaasu poikkeaa monessa suhteessa reaalikaasusta, ja siksi tilanyhtälön pätevyys on rajallinen. Huoneenlämpötilassa ja normaalipaineessa useimmat reaalikaasut kuitenkin käyttäytyvät lähes ideaalikaasun tavoin.

Reaalikaasujen ja ideaalikaasujen erot

-         monet kaasut ovat seoksia. Puhtaat reaalikaasut koostuvat samoista atomeista tai molekyyleistä. Ideaalikaasussa on sen sijaan vain yhdenlaisia rakenneosasia.

-         reaalikaasujen molekyylien suuruusluokka on 10^-10m. Hiukkasiin kohdistuu myös paino. Ideaalikaasun rakenneosat sen sijaan ovat pistemäisiä.

-         reaalikaasun rakenneosasilla on lämpöliikettä: myös virtaukset ovat mahdollisia. Ideaalikaasun rakenneosasten lämpöliike on satunnaista.

-         reaalikaasun rakenneosasten välillä on sähkömagneettinen vuorovaikutus, kun taas ideaalikaasun rakenneosaset vuorovaikuttavat vain törmäysten kautta.

-         reaalikaasussa törmäykset voivat olla kimmoisia tai kimmottomia, kun taas ideaalikaasun rakenneosasten välillä on vain kimmoisia törmäyksiä.

-         reaalikaasun rakenneosasten liike on törmäysten välillä lähes suoraviivaista, kun taas ideaalikaasun rakenneosaset liikkuvat törmäysten välillä vakionopeudella ja suoraviivaisesti.

Kaasujen tilanyhtälöt

Kaasun tilan määräävät sen paine, tilavuus ja lämpötila. Kun kaasun paine kasvaa, sen tilavuus pienenee. Boylen lain mukaan kaasun tilanmuutos on isoterminen, jos sen lämpötila pysyy vakiona. Eli pV = vakio. Jauhelihapakkauksessa käytetään suojakaasuna hapen ja hiilidioksidin seosta. Happi auttaa lihaa pysymään väriltään punaisena.

Charlesin lain mukaan kaasun tilanmuutos on isokoorinen, jos sen tilavuus pysyy vakiona. Eli p/T = vakio. Gay-Lussacin lain mukaan kaasun tilanmuutos on isobaarinen, jos sen paine pysyy vakiona. Eli V/T = vakio. Gay-Lussacin lain mukaan kaasun tilavuus pienenee lämpötilan laskiessa.

Ideaalikaasun tilanyhtälö

pV/T = vakio

Ideaalikaasun tilanyhtälö on

pV/T = nR eli pV = nRT

jossa R on 8,314510 J/(mol*K)

Avogadron lain mukaan samassa lämpötilassa ja paineessa yhtä suuret tilavuudet eri kaasuja sisältävät yhtä monta molekyyliä.

 

Kaasun normaalitila (NTP-olosuhteet)

NTP-olosuhteissa on sovittu tila, jossa lämpötila on 273,15 K ja paine on 101325 Pa eli normaali ilmanpaine. Jos NTP-tilassa ideaalikaasua on yksi mooli, se vaatii tilavuuden 22,41410 dm³ eli normaalitilavuus on 22,41410 l/mol. Jos kaasun ainemäärä tunnetaan, ideaalikaasun tilanyhtälö voidaan ilmaista moolisen kaasuvakion R avulla.