8.3: Plyny a tlak

Plynná fáze je mezi třemi stavy hmoty jedinečná tím, že existují jednoduché modely, které můžeme použít k předpovědi fyzikálního chování všech plynů – nezávisle na jejich identitě. Pro pevné a kapalné skupenství to udělat nemůžeme. Vývoj tohoto chápání chování plynů ve skutečnosti představuje historický předěl mezi alchymií a moderní chemií. První pokroky v chápání chování plynů učinil v polovině 16. století anglický vědec Robert Boyle, který založil Královskou společnost (jednu z nejstarších vědeckých organizací na světě).

Jak je možné, že můžeme modelovat všechny plyny nezávisle na jejich chemické identitě? Odpověď je ve skupině tvrzení, která se nazývá kinetická teorie plynů:

• Plyny se skládají z malých částic, které jsou od sebe vzdáleny velké vzdálenosti.
• Částice plynů se neustále pohybují, zažívají srážky s jinými částicemi plynu a stěnami své nádoby.
• Rychlost částic plynu souvisí s teplotou plynu.
• Částice plynu mezi sebou neprožívají žádnou přitažlivou ani odpudivou sílu.

Všiml sis, že žádné z těchto tvrzení se netýká identity plynu? To znamená, že všechny plyny by se měly chovat podobně. Plyn, který se těmito tvrzeními dokonale řídí, se nazývá ideální plyn. Většina plynů vykazuje mírné odchylky od těchto tvrzení a nazývají se reálné plyny. Existence reálných plynů však nesnižuje význam kinetické teorie plynů.

Jeden z výroků kinetické teorie zmiňuje srážky. Protože se částice plynu neustále pohybují, dochází také k jejich neustálým srážkám mezi sebou a se stěnami jejich nádoby. Při odrazu částic plynu od stěn nádoby dochází k působení sil (obrázek \(\PageIndex{1}\)). Síla vytvořená částicemi plynu vydělená plochou stěn nádoby dává tlak. Tlak je vlastnost, kterou můžeme měřit u plynu, ale obvykle neuvažujeme tlak u pevných látek nebo kapalin.

Základní jednotkou tlaku je newton na metr čtvereční (N/m2). Tato kombinovaná jednotka je nově definována jako pascal (Pa). Jeden pascal není příliš velká velikost tlaku. Užitečnější jednotkou tlaku je bar, což je 100 000 Pa (1 bar = 100 000 Pa). Dalšími běžnými jednotkami tlaku jsou atmosféra (atm), která byla původně definována jako průměrný tlak zemské atmosféry na úrovni hladiny moře, a mmHg (milimetry rtuti), což je tlak vytvořený sloupcem rtuti vysokým 1 mm. Jednotka milimetr rtuti se také nazývá torr, pojmenovaná podle italského vědce Evangelisty Torricelliho, který v polovině 16. století vynalezl barometr. Přesnější definice atmosféry v jednotkách torr říká, že v 1 atm je přesně 760 torrů. Jeden bar se rovná 1,01325 atm. Vzhledem ke všem vztahům mezi těmito jednotkami tlaku je schopnost převádět z jedné jednotky tlaku na druhou užitečnou dovedností.

Kinetická teorie také říká, že mezi jednotlivými částicemi plynu neexistuje žádná interakce. Přestože víme, že v reálných plynech ve skutečnosti existují mezimolekulární interakce, kinetická teorie předpokládá, že částice plynu jsou od sebe tak daleko, že se jednotlivé částice navzájem „necítí“. Proto můžeme částice plynu považovat za malé kousky hmoty, jejichž identita není pro určité fyzikální vlastnosti důležitá.

.